MEDINDO A VELOCIDADE DO SOM EM UM CANO DE METAL UMA PROPOSTA DE EXPERIMENTO DEMONSTRATIVO

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1 MEDINDO A VELOCIDADE DO SOM EM UM CANO DE METAL UMA PROPOSTA DE EXPERIMENTO DEMONSTRATIVO Klaus Nogueira da Silva Resumo Nos livros didáticos destinado aos alunos de ensino médio, pouco se fala sobre a propagação do som nos meios sólidos, líquidos e gasosos, aparecendo às vezes como uma tabela esquecida num canto da página e não é dada a devida importância ao assunto. O trabalho, aqui descrito é uma proposta a ser implementada em laboratórios ou salas de aula, onde com o uso de um computador com um software livre, placa de som e um fone de ouvidos pode-se fazer um estudo qualitativo e quantitativo da propagação do som num meio material, sólido, como no caso particular de um cano de metal. Palavras-chave: experimento, som, computador. Abstract Measuring the speed of the sound in a pipe of metal. A proposal of demonstrative experiment In the text books destined to the students of high school, little it is talked about the propagation of the sound in the solid means, liquid and gaseous, sometimes appearing as a table forgotten in a song of the page and it is not given the due importance to the subject. The work, here described it is a proposal to be implemented in laboratories or class rooms, where with the use of a computer with a free software, sound board and a phone of ears can be made a qualitative and quantitative study of the propagation of the sound in a material middle, solid, as in the particular case of a metal pipe. Keywords: experiment, sound, computer. 629

2 1. Introdução Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Na literatura, muitos são os experimentos para medida de velocidade do som em meios materiais, o autor propõe neste trabalho, utilizando equipamentos disponíveis nas escolas e alguns materiais de baixo custo, a medida da velocidade do som em um cano de metal. Acredita-se ser o cano de metal o único material de difícil manuseio, pois o mesmo, para a realização deste experimento, deve possuir comprimento em torno de 3 m. A proposta de aplicação deste experimento é a utilização como experimento de demonstração nas aulas de ondas e acústica de acordo com o planejamento anual do professor. Do ponto de vista do autor, este tipo de experimento demonstrativo pode ser a fagulha inicial para desencadear interações sociais na sala de aula, sendo portanto, um mediador das relações entre professor, aluno e o conhecimento científico. Para Carvalho (1998, p.20) A importância do ensino prático é inquestionável na Ciência e deveria ocupar lugar central em seu ensino, apesar do reconhecimento dos aspectos quantitativos e qualitativos do experimento existe neste contexto uma ótima oportunidade de desenvolver com os alunos, o modelo de propagação de ondas mecânicas. Se bem dirigida pelo professor, o experimento pode gerar ótimas discussões e momentos de reflexão que devem ser utilizadas para construir novos conceitos ou mesmo fazer uma revisão dos assuntos já abordados e então estudados. Mostrar ao aluno que o recurso tecnológico como o computador utilizado no experimento, pode ser mais que um simples meio de comunicação, através do e relacionamento, como no Orkut, mas também, um forte aliado para o seu desenvolvimento. Na Resolução CEB nº 3, de 26 de junho de 1998, p.102, em seu artigo 5º, prevê: Para cumprir as finalidades do ensino médio previstas pela lei, as escolas organizarão seus currículos de modo a: adotar metodologias de ensino diversificadas, que estimulem a reconstrução do conhecimento e mobilizem o raciocínio, a experimentação, a solução de problemas e outras competências cognitivas superiores. 1 O diferencial deste experimento encontra-se na utilização de um transdutor de baixo custo para conversão do sinal captado nas extremidades do cano de metal para análise pelo software soundcard oszilloscope, que irá indicar a diferença de tempo entre os sinais captados pelos transdutores. Posteriormente estes dados serão levados a uma planilha, para cálculo da velocidade de 1 Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio, 1999, p

3 propagação do som ou mesmo que os alunos realizem estes cálculos manualmente para no final da aula haver uma socialização, onde os resultados serão apresentados e discutidos entre os alunos e entre os alunos e o professor. 2. Software e instalação O software soundcard oszilloscope é um osciloscópio digital que possui integrado um gerador de sinal, analisador de espectro FFT (Fast Fourier Transform) e um gravador de áudio tudo integrado numa interface simples e amigável para que o professor e aluno possam utilizá-lo de maneira simples e rápida. Hardware e software necessários para o desenvolvimento do experimento proposto: Windows 2000, XP ou Vista. Um computador ou laptop com uma placa de som. 50MB de espaço em disco rígido. Software soundcard oszilloscope que pode ser baixado no site. Fone de ouvido, que será desmontado, para utilização de suas cápsulas. Para a instalação do software é necessário a descompactação com auxílio de um software winzip, winrar ou outro software de descompactação de arquivos em um diretório qualquer e rode o programa setup.exe. Após instalação o programa poderá ser inicializado através do menu de programas do sistema operacional Windows Breve Descrição do Software Este software pode ser usado para mostrar e analisar ondas sonoras. Os dados são gravados diretamente da placa de som (com um microfone externo ou embutido no laptop ou da entrada de linha da placa de som). Podemos analisar também sinais provenientes de CD através do software Windows Media player. O sinal de entrada para o osciloscópio está definido pelo Mixer do Windows. A comunicação do software é feita através de uma interface do Windows com a placa de som. O 631

4 software não se comunica diretamente com a placa de som. Portanto, o sistema de som do Windows deve estar corretamente configurado como será visto abaixo. A interface visual do software é muito semelhante a um osciloscópio convencional, portanto o professor não encontrará grandes dificuldades de trabalhar com este recurso Fontes de Sinal para o Software As seguintes entradas encontradas por inspeção visual atrás do computador deverão estar disponíveis para realização do experimento proposto: Line in Microphone Na aba extra do software encontra-se a configuração do sinal de entrada para o osciloscópio como mostra a figura abaixo. Figura 1 - Aba EXTRAS do programa Soundcard Oszilloscope que contem todas as configurações dos parâmetros da interface Windows e do sistema de gravação de áudio do programa Deve-se verificar em Open Áudio Mixer se a fonte de sinal escolhida está habilitada conforme figura abaixo. 632

5 Figura 2 - Seleção de entrada de sinal Sinal de Saída para a Placa de Som A ordem de definição de qual saída se utilizará para o som deverá ser escolhida apropriadamente em Open Áudio Mixer output. Figura 3 Seleção de saída de som Software na Função Osciloscópio Na função osciloscópio, o software apresenta dois canais, esquerdo e direito, que trabalham de forma independente a partir do sinal proveniente da placa de som e que deverão ser acionados automaticamente com o sinal de entrada. O canal esquerdo é representado por 633

6 uma linha verde, enquanto o direito por uma linha vermelha. Na janela principal são encontrados botões e janelas de entrada com as seguintes funções: Amplitude [1/Div], Time (sec) e Trigger. Figura 4 Software na função osciloscópio mostrando um sinal captado pela entrada Line in com a função Trigger ativada para disparo em single channel 1. Na janela Amplitude, pode-se encontrar ajustes independentes como sincronizados das amplitudes, bem como offset de cada canal. Offset ajusta um nível inicial para cada canal a fim de analisarmos os gráficos produzidos sem a sobreposição dos mesmos. A Janela Time representa a extensão dos sinais medidos. Esta extensão tem um range (extensão) que vai de 1 ms até ms. Esta é uma vantagem do uso do osciloscópio no computador, onde podemos expandir está extensão a hora que quisermos, enquanto num osciloscópio comum, isto não é possível. Apesar de isto consumir muito processamento da CPU. Os modos de Trigger encontrados são: Off; Auto; Normal; Single. 634

7 Pode-se ajustar o trigger (tempo de disparo) através da janela ou do cursor amarelo que aparece na janela do osciloscópio. No modo de disparo single, o botão Run/Stop será desativado toda vez que um sinal for detectado. Logo após a análise, nova tomada de medidas poderá ser realizada. No modo Auto o software se encarrega de efetuar os cálculos para tempo e nível do disparo. 3. Medindo a Velocidade do Som num Cano de Metal Na literatura, são encontradas várias formas de se medir a velocidade em canos de metais. Porém, todas utilizam materiais e equipamentos de difícil obtenção e utilização. A intenção deste experimento é utilizar equipamentos simples para tal procedimento Material Utilizado Dois transdutores (dispositivos que transformam uma modalidade de energia em outra, utilizando sensores que se encarregam desta transformação) encontrados em fones de ouvido. Um computador pessoal (PC) com o programa Soundcard Oszilloscope, devidamente instalado. Um cano de metal de 3 m de comprimento. Um martelo. Fita adesiva Descrição do Experimento Uma das dificuldades de se medir a velocidade do som em sólidos é o tempo de propagação ser muito pequeno, dificultando a medida desse intervalo de tempo com cronômetros ou outros elementos de baixo custo. Com os recursos computacionais encontrados nos microcomputadores pessoais e nos softwares de uso livre, recursos estes que chegam de forma rápida e eficiente às bancadas dos laboratórios e salas de aula, pode-se realizar não só esse experimento, mas muitos outros. Como o software possui duas entradas de sinal, a utilização de dois alto-falantes retirados de um fone de ouvido se torna facilitada para a captação do pulso inicial, gerado por um martelo em uma das pontas do cano e a captação da chegada do pulso na 635

8 outra extremidade do cano. Na função osciloscópio pode-se realizar a medida do atraso entre os dois pulsos captados pelas cápsulas utilizadas no experimento. Figura 5 Plug p2 mono e estéreo, respectivamente, encontrado em lojas de componentes eletrônicos. Caso o fone de ouvido apresente na ponta plug p2 mono como visto na figura 5, o mesmo não poderá ser utilizado porque os sinais provenientes dos dois alto-falantes (transdutores) se misturarão e entrarão na placa de som como uma soma dos sinais provenientes de cada um, não sendo possível medir o atraso entre os dois sinais. Os fones que apresentarem na ponta do fio, plug p2 estéreo, são os recomendados, pois os dois alto-falantes possuem cabos separados e uma malha em comum. Como o intervalo de tempo procurado no experimento fica na casa dos oito milissegundos ( s), a busca por um transdutor que tivesse uma resposta rápida se fez necessária. Para tanto um cálculo simples levou a crer que o alto-falante do fone de ouvido responde bem ao que se espera neste tipo de experimento. Sua curva de resposta em freqüência em teoria vai de 20 Hz até Hz (faixa audível). Trabalhando com um valor médio, tem-se Hz, que fornece um período de oscilação do cone de: 1 1 T = = = = = f , ms Através de uma medida prática, encontra-se um tempo de 20 ms, o dobro do calculado para uma freqüência de Hz. Como a resposta é praticamente rápida, uma pequena variação no cone deste alto-falante induzirá uma corrente que será convertida em sinal digital pela placa de som do computador e analisada pelo software na função de osciloscópio. Executa-se o programa e no modo trigger single, chanel 1, ajustar offset CH1 para +0,5000 e CH2 para -0,5000 para facilitar a visualização das duas formas de ondas. Ajustar a Amplitude para + ou 500m e Time entre 10m e 100m. Uma observação importante é quanto ao 636

9 trheshould do Trigger, que deverá ser escolhido de acordo com a intensidade do sinal de entrada e logo após apertar o botão Run/Stop para iniciar as medições Medições Foram realizadas cinco medidas do atraso entre os sinais para dois modelos de canos de metal com as seguintes especificações: Primeiro cano: Cano de metal não pintado com um pouco de ferrugem como pode ser visto nas figuras. Comprimento: 2,96 m; diâmetro: 3,2 cm Tabela 1 Dados medidos com o auxílio do Software na função osciloscópio e cálculo da velocidade do som para o primeiro cano Diferença de tempo Comprimento Velocidade entre os sinais (s) do tubo (m) som (m/s) 1ª Medida 0, , , ª Medida 0, , , ª Medida 0, , , ª Medida 0, , , ª Medida 0, , , Valor Médio (m/s) 5039, Segundo cano: Cano de metal pintado. Comprimento: 2,73 m; Diâmetro: 6,5 cm Tabela 2 Dados medidos com o auxílio do Software na função osciloscópio e cálculo da velocidade do som para o segundo cano Diferença de tempo Comprimento Velocidade entre os sinais (s) do tubo (m) som (m/s) 1ª Medida 0, , , ª Medida 0, , , ª Medida 0, , , ª Medida 0, , , ª Medida 0, , ,33589 Valor Médio (m/s) 4825,

10 Figura 6 Zoom que mostra o atraso entre a captação dos sinais dos transdutores um e dois nos extremos do cano de metal. Figura 7 Arranjo experimental montado para medida da velocidade do som em um cano de metal. 638

11 Como visto na figura 7, os transdutores um e dois (alto-falantes) foram presos com fita adesiva nas extremidades do cano. (I) (II) Figura 8 Em (I) os equipamentos para a realização do experimento; em (II) planilha em Excel para o registro e cálculos do experimento. 4. Conclusão É fato que as escolas públicas brasileiras estão passando por um processo de informatização com a adaptação para criação de salas de informática, logo, é tarefa do professor trabalhar com seus alunos neste ambiente e nas escolas que ainda não possuem essas salas devem utilizar o espaço do laboratório para promover situações de aprendizagem concretas. Neste trabalho a utilização do conjunto software+computador atuando como interface e osciloscópio para obtenção dos dados, deixam clara que sua utilização deve ser cada vez mais aproveitada, com a elaboração de outros experimentos, não só demonstrativos como também para aplicação em salas de informática onde o aluno irá montar e realizar seu próprio experimento. Para o primeiro cano foi encontrado um valor médio de velocidade de aproximadamente 5039,3 m/s e para o segundo cano com cinco medidas obteve-se uma média de velocidade de aproximadamente 4825,5 m/s e não os 5000 m/s esperados para o aço. Por esta análise acreditase que este cano não seja de aço e sim de uma liga de metais ou mesmo de outro material. O experimento foi realizado com dois modelos de fone de ouvido, para a retirada dos transdutores, e os resultados foram muito próximos dos valores teóricos previstos e encontrados em livros didáticos dos alunos. 639

12 5. Referências Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR CARVALHO, R. (1978). História do gabinete de física da Universidade de Coimbra. Biblioteca Geral ELISHA HUGGINS, Dartmouth College, Hanover, NH, Janeiro de 2008, Speed of Sound in Metal Pipes: An Inexpensive Lab, The Physics Teacher, Vol. 46, pp Último acesso em: 08 mar NUSSENZVEIG, HERCH MOISÉS, 1990, Curso de Física Básica, Vol. 2, Ed. 2ª, Brasil, Ed. Edgard Blücher Ltda. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO - Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Ciências da Natureza e suas Tecnologias. In: Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio. Brasília, Autor Klaus Nogueira da Silva: Mestrando do PPGECE-UFSCAR. Programa de Pós Graduação em Ensino de Ciências - Física da Universidade Federal de São Carlos. Mestrado Profissional e Professor efetivo de Ensino Médio na Escola Estadual Marechal Rondon em Guará/SP e Colégio Evolução de Guará/SP. professorklaus@bol.com.br 640