TUBO DE RUBENS

EFER TORREZ CHARRIZJAIDER VIZCAINO MARTINEZCARLOS ARAGON BOHORQUEZJESUS MERCADO VIDALEBERTO GONZALES TORREZ

ING.PABLO VILORIAGRUPO:AN1

BARRANQUILLA, ATLANTICO30/09/2014

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIN...pg.32. JUSTIFICACINpg.43. OBJETIVOSpg.53.1. GENERAL 3.2. ESPECIFICOS4. MARCO TERICO. .pg.65. DESCRIPCIN DEL SISTEMA.pg. 101. 2. 3. 4. 5. 5.1. MATERIALES 5.2. MONTAJE Y PROCEDIMIENTO PARA SU CONSTRUCCIN 6. PRESUPUESTO..pg.147. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES. .pg.158. CONCLUSIONpg.16BIBILOGRAFIA

1. INTRODUCCIONEl sonido cuando viaja a travs del aire genera diferencias de presin. El tubo de Rubens es un aparato que nos muestra estas variaciones de presin en forma de onda transversal, visualizndolas a travs del gas propano. El gas tiene zonas en que la onda es ms larga ya que recibe presin de la onda y otras, zonas donde la onda no presiona y apenas se ve la llama. Estas llamas nos dibujan la longitud y la frecuencia de la onda.El efecto que se logra es idntico a los que podemos ver cuando en un reproductor multimedia usas un analizador de msica, y este cambia de formas y colores segn su ritmo, lo que se llama "efecto ecualizador".John Le Conte en 1858 descubri que las llamas fueron sensibles al sonido. En 1862 Rudolph Koenig puso de manifiesto que la altura de la llama podra verse afectada por la transmisin de sonido en el suministro de gas, y el cambio a medida que pasa el tiempo se pudo mostrar con espejos en rotacin. August Kundt, en 1866, demostr una acstica onda estacionaria mediante la colocacin de semillas de licopodio o corcho polvo en un tubo. Cuando un sonido se present en el tubo, el material del interior se aline en los nodos y los vientres de acuerdo con la oscilacin de la onda, creando una onda estacionaria. Ms tarde ese mismo siglo, Behn mostraron que pequeas llamas podran utilizarse como indicadores sensibles de presin. Por ltimo, en 1904, utilizando estos dos descubrimientos importantes, Heinrich Rubens , a quien se nombra despus de esta experiencia, tom un metro de largo tubo de 4 y perforado 200 agujeros pequeos en ella en intervalos de 2 centmetros, y lo llen de un gas inflamable. Despus de encender el gas (cuyas llamas se levantaron todos a igual altura de cerca), seal que un sonido que se produce en un extremo del tubo creara una onda estacionaria, lo que equivale a la longitud de onda del sonido que se est hecho. Krigar-Menzel ayud a Rubens con la teora.

2. JUSTIFICACION

El presente proyecto parte del hecho de que el sonido es un fenmeno ondulatorio, y que es necesario analizarlo experimentalmente. Su importancia radica en que las ondas sonoras hacen parte de nuestra vida cotidiana, y de su estudio parten ciertos conceptos relacionados como son la velocidad, la longitud de onda, la frecuencia; estas nociones permiten analizar el comportamiento de este tipo de ondas y pueden evidenciarse a travs del montaje del tubo de Rubens, que utiliza el principio de presin sonora para observar literalmente el sonido identificando una onda. Es as como la elaboracin de este aparato facilitar la aprehensin de esta temtica.

3. OBJETIVOS

3.1. GENERALRealizar el montaje del tubo de Rubens, para evidenciar experimentalmente las diferencias de presin del sonido cuando viaja a travs del aire.

3.2. ESPECIFICOS Reconocer el comportamiento del sonido como una variacin de la presin del aire. Ilustrar fsicamente el sonido como una onda transversal. Interpretar la relacin entre la longitud de onda, frecuencia y la velocidad del sonido.

4. MARCO TEORICO

Unaondaes una propagacin de una perturbacin de alguna propiedad de un medio, por ejemplo,densidad,presin,campo elctricoocampo magntico, que se propaga a travs delespaciotransportandoenerga. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa comoaire,agua, un trozo demetalo elvaco.La propiedad del medio en la que se observa la particularidad se expresa como una funcin tanto de la posicin como del tiempo . Matemticamente se dice que dicha funcin es una onda si verifica la ecuacin de ondas:

Dondeves la velocidad de propagacin de la onda. Por ejemplo, ciertas perturbaciones de la presin de un medio, llamadassonido, verifican la ecuacin anterior, aunque Algunasecuacionesno lineales tambin tienen soluciones ondulatorias.

ELEMENTOS DE UNA ONDA Cresta: La cresta es el punto ms alto de dicha amplitud o punto mximo de saturacin de la onda. Perodo: El periodo es el tiempo que tarda la onda de ir de un punto de mxima amplitud al siguiente. Amplitud: La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Ntese que pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo. Frecuencia: Nmero de veces que es repetida dicha vibracin. En otras palabras, es una simple repeticin de valores por un perodo determinado. Valle: Es el punto ms bajo de una onda. Longitud de onda: Distancia que hay entre dos crestas consecutivas de dicho tamao.

Descripcin Matemtica.

Desde un punto de vista matemtico, la onda ms sencilla o fundamental es elarmnico(sinusoidal) la cual es descrita por la ecuacinf(x,t) =Asin(tkx)),dondeAes laamplitudde una onda - una medida de mximo vaco en el medio durante un ciclo de onda (la distancia mxima desde el punto ms alto del monte al equilibrio). En la ilustracin de la derecha, esta es la distancia mxima vertical entre la base y la onda. Las unidades de amplitud dependen del tipo de onda las ondas en una cuerda tienen una amplitud expresada como una distancia (metros), las ondas sonoras como presin (pascales) y ondas electromagnticas como la amplitud delcampo elctrico(voltios/metros). La amplitud puede ser constante, o puede variar con el tiempo y/o posicin. La forma de la variacin de amplitud es llamada laenvolventede la onda.Lalongitud de onda(simbolizada por) es la distancia entre dos montes o valles seguidos. Suele medirse en metros, aunque en ptica es ms comn usar losnanmetroso losAngstroms().Unnmero de onda angularkpuede ser asociado con la longitud de onda por la relacin:

ElperiodoTes el tiempo requerido para que el movimiento de oscilacin de la onda describa un ciclo completo. Lafrecuenciafes el nmero de ciclos completos transcurridos en la unidad de tiempo (por ejemplo, un segundo). Es medida enhercios. Matemticamente se define sin ambigedad como:

En otras palabras, la frecuencia y el periodo de una onda son recprocas entre s.Lafrecuencia angularrepresenta la frecuencia en radianes por segundo. Est relacionada con la frecuencia por

Hay dos velocidades diferentes asociadas a las ondas. La primera es lavelocidad de fase, la cual indica la tasa con la que la onda se propaga, y esta dada por:La segunda es lavelocidad de grupo, la cual da la velocidad con la que las variaciones en la forma de la amplitud de la onda se propagan por el espacio. Esta es la tasa a la cual la informacin puede ser transmitida por la onda. Est dada por:

Unaonda sonoraes unaondalongitudinal por donde viaja elsonido. Si se propaga en un medio elstico ycontinuogenera una variacin local depresinodensidad, que se transmite en forma deonda esfricaperidica ocuasiperidica. Mecnicamente las ondas sonoras son un tipo deonda elstica.Las variaciones de presin, humedad o temperatura del medio, producen el desplazamiento de lasmolculasque lo forman. Cada molcula transmite la vibracin a la de su vecina, provocando unmovimientoen cadena. Esos movimientos coordinados de millones de molculas producen las denominadas ondas sonoras, que producen en el odo humano una sensacin descrita como sonido.

Modo de propagacinEl sonido (las ondas sonoras) sonondas mecnicas elsticaslongitudinales u ondas de compresin. Eso significa que: Para propagarse precisan de un medio (aire, agua, cuerpo slido) que transmita la perturbacin (viaja ms rpido en los slidos, luego en los lquidos, an ms lento en el aire, y en el vaco no se propaga). Es el propio medio el que produce y propicia la propagacin de estasondascon su compresin y expansin. Para que pueda comprimirse y expandirse es imprescindible que ste sea unmedio elstico, ya que un cuerpo totalmente rgido no permite que las vibraciones se transmitan. As pues, sin medio elstico no habra sonido, ya que las ondas sonoras no se propagan en el vaco. Adems, los fluidos slo pueden transmitir movimientos ondulatorios en que la vibracin de las partculas se da en direccin paralela a la velocidad de propagacin o lo largo de la direccin de propagacin. As los gradientes de presin que acompaan a la propagacin de una onda sonora se producen en la misma direccin depropagacinde la onda, siendo por tanto stas un tipo deondas longitudinales(en los slidos tambin pueden propagarse ondas elsticas transversales)Propagacin en mediosLas ondas sonoras se desplazan tambin en tres dimensiones y susfrentes de ondaen medios istropos son esferas concntricas que salen desde el foco de la perturbacin en todas las direcciones. Por esto sonondas esfricas. Los cambios de presinpque tienen lugar al paso de una onda sonora tridimensional de frecuencia y longitud de onda en un medio istropo y en reposo vienen dados por la ecuacin diferencial:

donder es la distancia al centro emisor de la onda, yc= es la velocidad de propagacin de la onda. La solucin de la ecuacin, a grandes distancias de la fuente emisora se puede escribir como:

Dondeson respectivamente la presin de inicial del fluido y la sobrepresin mxima que ocasiona el paso de la onda.En el caso de las ondas sonoras ordinarias, casi siempre son la superposicin de ondas de diferentes frecuencias y longitudes de onda, y forman pulsos de duracin finita. Para estas ondas sonoras lavelocidad de faseno coincide con lavelocidad de grupoo velocidad de propagacin del pulso. La velocidad de fase es diferente para cada frecuencia y depende al igual que antes de la relacinc=. El hecho de que la velocidad de fase sea diferente para cada frecuencia, es responsable de ladistorsin del sonidoa grandes distancias.

5. DESCRIPCIN DEL SISTEMA

Si empezamos a sacudir una cuerda con frecuencia cada vez mayor, al principio el movimiento de la cuerda ser catico. Luego aparecer el modo fundamental, luego un rato con movimiento catico, luego aparecer el primer armnico, luego otro rato de movimiento catico Adems, cada armnico tiene mayor frecuencia (menor longitud de onda) que el anterior, por lo que las ondas son ms pequeas.El sonido es una onda. Una diferencia con las ondas que se propagan por una cuerda (o con las olas del mar) es que estas ltimas son ondastransversales, mientras que el sonido es una ondalongitudinal. Las ondas transversales oscilan arriba y abajo mientras se propagan hacia delante. Las ondas longitudinales oscilan adelante y atrs mientras se propagan hacia delante. Tomemos un diapasn, sacudmoslo contra una mesa y veamos qu le pasa al aire que lo circunda:Observamos que se producen apelotonamientos de aire (zonas desobrepresin) y zonas derarefaccin, donde hay menos aire y por tanto menor presin. Nuestro odo detecta estas variaciones de presin a travs del tmpano, que las transforma en impulsos nerviosos y las manda al cerebro.En un tubo, las ondas de presin van y vienen, rebotando por su interior. Encontr una estupenda animacin, un tanto exagerada, pero vlida:Las ondas que vienen se encuentran con las que van y se produceinterferencia. Cuando la separacin entre las ondas que van (que tcnicamente denominamos longitud de onda) es cuatro veces la longitud del tubo dividida por un nmero impar (dejemos las matemticas aparte), se producenondas estacionarias, que no varan su posicin dentro del tubo. Como el tubo de nuestro vdeo tiene unos agujeritos por los que puede salir el propano, si el agujero cae sobre un mximo estacionario de presin, saldr ms gas por l. Si cae sobre un mnimo, saldr menos aire. Por eso hay agujeritos que sueltan ms llama que otros, formando estupendas figuritas:Cuanto mayor sea la frecuencia del sonido que metemos el tubo (cuanto ms agudo sea el sonido), la longitud de onda ser menor y cabrn ms ondas estacionarias dentro del tubo.Cuando ya no tenemos un tono sostenido sino una cancin cuyas notas cambian rpidamente, observamos que las presiones se distribuyen de forma cambiante por el tubo, obteniendo un estupendo efecto ecualizador, pero a base de propano en llamas.

5.1. MATERIALES

Tubo de evacuacin de zinc de 1 metro de largo y 4 pulgadas de dimetro. Membrana de ltex (por ejemplo guante quirrgico, condn o globo). Tapa metlica de dimetro similar al del tubo 2 trozos de caera de cobre de 3 cm de largo y 0,5 pulgadas de dimetro 2 bases de bronce Cinta adhesiva para altas temperaturas (de color plomo) Silicona de alta temperatura (de color rojo) Remaches Soldadura y pasta de soldadura Papel engomado (maskin tape) Gas propano Llave de paso (con su respectivo conector) Regulador de gas (con sus respectivos conectores) 2 Mangueras de gas (de color amarillo) Abrazaderas 2 conectores de bronce T de bronce Tefln amarillo (para conexiones de gas) 4 latas de zinc dobladas en sus bordes de 15x2 cm 2 latas de zinc dobladas en sus bordes de 40x3 cm 8 tornillos y 8 tuercas 4 soberbios Listn de madera de 100x20 cm Parlante o radio Generador de Tono

5.2. MONTAJE Y PROCEDIMIENTO PARA SU CONSTRUCCIN

Tubo: Si el tubo de zinc est corrugado por uno de sus extremos aconsejamos cortarlo, pues ser un impedimento para sellar los extremos, luego de esto colocar maskin tape de punta a cabo ubicando con un lpiz el punto central, marca a cada lado un mximo de 30 puntos equi-espaciados cada media pulgada (aproximadamente 1.25cm) de manera tal que dejes sin puntear 10 cm a cada extremo del tubo, este espacio servir para sellar los extremos y adosar los soportes. Acto seguido busca una tabla de 10x10cm y un espesor de 1 cm mnimo, coloca la tabla dentro del tubo y perpendicular al maskin tape, con un martillo y una punta de 1 pulgada perfora cuidadosamente en cada uno de los puntos hechos sobre la cinta, asegrate que los orificios queden regulares y aproximadamente del mismo dimetro, retira el maskin y procede a marcar los orificios por donde alimentars de gas el tubo, divide en tres el largo del tubo y mrcalo, con la misma tcnica descrita anteriormente (de la tabla), perfora con una broca de dimetro menor al de los trocitos de caera de cobre, posteriormente lima hasta lograr el ancho necesario para que dicha caera entre ajustada.Para sellar el extremo rgido perfora la tapa metlica 6 veces equi-espaciadamente (aprox. cada 5cm), con una broca del dimetro igual a los remaches que ocupars, ponla en el tubo y marca en l los orificios ya hechos, perfora el tubo con la misma tcnica que hemos ocupado hasta ahora, as evitars que se doble el tubo, por ltimo remacha en cada uno de los orificios.

Lija con esmero los orificios del tubo para las caeras, las caeras y las bases de bronce (en este punto podras ahorrar la caera y conectar directo la base de bronce al tubo, para ello necesitars agrandar un poco ms dichos orificios), pon pasta de soldadura en el tubo con la caera puesta, calienta con el soplete hasta lograr que se vea una llama verde y pon la soldadura, vuelve a agregar pasta, calienta nuevamente y repasa por ltima vez con soldadura, repite el proceso para la otra conexin y una vez fro (para esto puedes tirar agua a la zona, para hacerlo ms rpido), utiliza la misma tcnica para soldar las bases. Para el extremo de la membrana elstica, recubre con un poco de cinta ploma el borde, pues as evitars que se corte el ltex con el filo del zinc, pon la membrana de ltex un poco tensa y asegrala con varias vueltas de la misma cinta. Luego de esto, asegura cada conexin con silicona de alta temperatura (dentro de lo posible).Conexiones de gas: corta ambas mangueras por la mitad, conecta una de ellas a la llave de paso y por el otro extremo al regulador (aqu podras ahorrar comprando de inmediato una llave con regulador, llamado "regulador de soplete"), por el otro extremo del regulador aade otro retazo de manguera y conctalo a la T de bronce, de sta saca los otros dos trozos de manguera y pon los conectores en sus extremos respectivos. Recuerda siempre poner antes de cada conexin la abrazadera correspondiente y en cada conexin de bronce unas 8 vueltas de Tefln amarillo. Asegura las abrazaderas y retira el Tefln sobrante.Soporte y montaje: Dobla las latas de zinc de 40x3 cm, alrededor del tubo y pon diametralmente opuestos y paralelos a cada una de ellas dos trozos de latas de zinc de 15x2 cm con tornillos y tuercas, dobla unos 5cm de esta ltima y hazle una perforacin, para posteriormente fijarlo a la base de madera. Asegura con dos tornillos y tuercas cada uno de los soportes al tubo y por ltimo asegura con soberbios cada uno de las patitas al listn de madera.Conecta las terminales de las manqueras de gas al tubo y la llave de paso al baln de gas licuado, tapa los orificios del tubo con maskin tape y antes de poner fuego, da la llave de paso y regula que pase un poco de gas (lo evidenciars porque la membrana de ltex se inflar), con una esponja, agua y jabn cerciora que en todas las conexiones no hayan filtraciones, te dars cuenta porque saldrn pequeas burbujas. Luego que verifiques que no hay filtraciones de gas, pon fuego, acerca el parlante o radio con las frecuencias constantes y aprecia las ondas.

6. PRESUPUESTO

Tubo de evacuacin de zinc de 1 metro de largo y 4 pulgadas de dimetro. $20000 Membrana de ltex $1000 Tapa metlica de dimetro similar al del tubo $2500 2 trozos de caera de cobre de 3 cm de largo y 0,5 pulgadas de dimetro $4500 2 bases de bronce $6800 Cinta adhesiva para altas temperaturas $7500 Silicona de alta temperatura $9000 Soldadura y pasta de soldadura $10000 Llave de paso $1500 Regulador de gas $1500 2 Mangueras de gas (de color amarillo) $7000 Tefln amarillo $1500 4 latas de zinc dobladas en sus bordes de 15x2 cm $8000 2 latas de zinc dobladas en sus bordes de 40x3 cm $6000 Listn de madera de 100x20 cm $7000TOTAL APROXIMADO: $93.800

7. CRONOGRAMAACTIVIDADES AGOSTOSEPTIEMBREOCTUBRENOVIEMBRE

IBsqueda Primaria

IIEntrega Anteproyecto

IIIBsqueda de Materiales

8. CONCLUSION

Se Reconoci el comportamiento del sonido como una variacin de la presin del aire. Adems se pudo Ilustrar fsicamente el sonido como una onda transversal teniendo en cuenta que una onda transversal es unaondaen la que las vibraciones son perpendiculares a la direccin de propagacin de la onda. Si una onda transversal se mueve en el plano x-positivo, sus oscilaciones van en direccin arriba y abajo que estn en el plano y-z. Se logro Interpretar la relacin entre la longitud de onda, frecuencia y la velocidad del sonido.

9. BIBLIOGRAFIA

1. G.W. Ficken, F.C. Stephenson, Rubens flame-tube demonstration,The Physics Teacher, Vol. 17, pp. 306-310 (1979)2. G. Spagna: "Rubens flame tube demonstration: A closer look at the flames", Am. J. Phys.51, 848 (1983).3. D. Jihui and C.T.P. Wang: "Demonstration of longitudinal standing waves in a pipe revisited", Am. J. Phys.53, 1110 (1985).4. http://www.fysikbasen.dk/Referencemateriale/PDFartikler/flammeRoerENG.pdf

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