Departamento de Física e Química Laboratório de Física Experimental ll Velocidade do Som em Metais

Transcrição

1 Departamento de Física e Química Laboratório de Física Experimental ll Velocidade do Som em Metais 1. Introdução A propagação das ondas mecânicas através de um meio material se dá pela transmissão das oscilações das partículas que constituem o meio (átomos ou moléculas). As ondas mecânicas poder ser classificadas basicamente como ondas longitudinais e ondas transversais. Uma onda longitudinal é aquela em que as partículas do meio oscilam na mesma direção de propagação da onda. Enquanto numa onda transversal as partículas oscilam numa direção ortogonal (transversal) à direção de propagação. Estes dois tipos de onda podem ser facilmente observadas utilizando-se uma mola slink e uma corda. O som é um exemplo de uma onda longitudinal. Velocidade de propagação de uma onda mecânica A velocidade de propagação de uma onda mecânica é determinada pelas propriedades desse meio, basicamente por sua elasticidade e por sua inércia. No caso de um sólido esta velocidade para pulsos longitudinais é dada por: 2 E ρ E: Módulo de Young ou Módulo de elasticidade da material ρ: Densidade do material. São apresentadas a seguir estas propriedades para alguns materiais. Material E(MPa) ρ(10³ Kg/m³) v(m/s) Alumínio ,7 Cobre ,96 Aço Carbono ,81 7,90 Latão ,45 8,60 Calcule a velocidade de propagação das ondas mecânicas.

2 2. Parte Experimental 2.1 Objetivos 2.2 Material Determinar a velocidade de propagação do som em metais. 01 Fonte de Tensão 01 Resistor de 47Ω 01 Capacitor de 100 μf 01 Voltímetro Digital 01 Barra Metálica 01 Base Metálica Montagem - + Capacitor Circuito conforme montagem Resistor Chave - + Fonte

3 2.3 Procedimento do experimento: Quando a chave S é ligada, o capacitor vai ser carregado até atingir a mesma voltagem da fonte, V. A chave S é desligada e imediatamente a barra é solta sobre a base e após a colisão ela é rebatida e recolhida pelo aluno. Durante a colisão o circuito foi fechado e o capacitor vai perder carga elétrica através do resistor e a voltagem em seus terminais vai diminuir de acordo com a equação a seguir: V ( t) = V e 0 ( RC ) onde, : tempo de contato entre a barra e o suporte (tempo em que o circuito esteve fechado); RC: constante de tempo do circuito (produto do valor da resistência (Ω) pela valor da capacitância (F) ). Tarefa Como os valores de Vo e V(t) podem ser lidos no voltímetro, é possível obter-se o valor de tc na equação acima. Mostre que a unidade resultante do produto RC é o segundo (s) Velocidade de propagação do som Nessa prática será determinada a velocidade de propagação do som nas barras metálicas. Aqui o som é representado pela propagação da deformação elástica que a barra sofre quando ela colide com a base. Este pulso se propaga ao longo da barra e, ao atingir sua extremidade superior ele se reflete, retornando à extremidade inferior. Neste momento o pulso restaura a forma original da barra, exercendo sobre a base uma força orientada para baixo. A base por sua vez exerce uma força para cima, sobre a barra, fazendo-a rebater. Neste instante o contato é desfeito e o circuito fica aberto. Observe que durante o tempo de contato o pulso percorre o comprimento L da barra duas vezes. Daí a velocidade (v) de propagação do pulso é dada por: 2L Determinando o tempo de contato tc: Carregue o capacitor ligando a chave S. Anote o valor Vo. Vo=

4 Desligue a chave S e solte a barra sobre o suporte diversas vezes (pelo menos 7 vezes) e após cada rebote anote imediatamente o valor de v marcado pelo voltímetro. Preencha a tabela a seguir. n v 0 Vo Em cada colisão a barra fica em contato com a base por um intervalo de tempo tc. Após n colisões a tensão (voltagem) no capacitor é dada por: V n = V 0 e ( nt c / RC ) Construa uma gráfico V(n) x n, utilizando o programa Origin. Faça a analise da curva através da opção decaimento exponencial (Exponencial Decay). A equação de ajuste desses dados terá a forma: y=yo + A1exp[-(X-Xo)/t1] Ajuste a equação. Faça a comparação com a equação anterior e obtenha o valor de tc. Meça o comprimento L da barra e determine a velocidade de propagação do som no material da barra. 2L

5 3. Questões 1)Quais os possíveis erros cometidos em todo o processo. 2)Que outras propriedades dos materiais este experimento poderia determinar? 4. Bibliografia 1) Ondas Longitudinais: determinação da Velocidade do som em metais. N.L. Speziali e F.O.Veas Letelier. Rev. Ens. De Física.8/1, 3-9 (1986). 2) Chaves, Alaor. 1ª edição LTC, Editora SA Capitulo 4