Experimentos de Física com o Sistema de Som do PC

1. Experimentos de Física com o Sistema de Som do PC Carlos Eduardo Aguiar Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física Instituto de Física Universidade Federal do Rio de Janeiro XVII Semana da Física, UERJ, 2013

2. Resumo • O computador no laboratório didático • Aquisição de dados com a placa de som • Alguns experimentos usando áudio digital • Velocidade de uma bola de futebol • Velocidade do som • Queda livre • Ondas sonoras estacionárias • Medida de frequência • Efeito Doppler na Fórmula 1 • Acústica de uma garrafa • Comentários finais

3. O computador no laboratório didático computador coletor de dados(data-logger) sensores

4. O computador no laboratório didático • Instrumento muito versátil. • Ótimo para medidas envolvendo: • tempos muito longos; • tempos muito curtos; • grandes quantidades de dados. • Torna mais simples realizar: • análises gráficas; • análises estatísticas; • modelagem matemática.

5. Data-loggers e sensores • Normalmente encontrados na forma de kits comerciais: pacotes com data-logger, sensores e programa de aquisição de dados. • Fabricantes: Vernier, Pasco, Picotech, Phywe, ... • Dispendiosos para a típica escola brasileira. Alternativas?

6. Alternativa 1: Construir seu próprio sistema de aquisição de dados Envolve: • Encontrar sensores apropriados; • Conectá-los a um conversor analógico-digital; • Escrever um programa de aquisição de dados. Meio complicado... (mas vejam a placa Arduíno)

7. Alternativa 2: Aproveitar as interfaces já existentes no computador • Joystick • Mouse • Webcam (ou câmeras digitais) • Microfone (ou gravadores digitais) • ...

8. Microfone e Placa de Som microfone: “sensor” placa de som: “data-logger”

9. Microfone e Placa de Som Para que servem? • Experimentos envolvendo som (óbvio). • Cronômetro capaz de medir fração de milisegundo.

10. Gravação e análise dos arquivos de áudio Audacity • Outros programas: Goldwave, CoolEdit, ...

11. Alguns experimentos de Física baseados em gravações digitais

12. D Com que velocidade você chutou a bola?

13. T chute batida na parede Com que velocidade você chutou a bola? • Elisa (14 anos) • T = 0,214 s • D = 2,5 m velocidade da bola V = D / T = 12 m/s = 42 km/h

14. Numa escola do Rio de Janeiro Aquisição de dados Análise dos dados netbook Marta Máximo Pereira, Colégio de Aplicação da UFRJ e CEFET-RJ

15. meninas meninos velocidade da bola (km/h) número de alunos altura do aluno (m) velocidade da bola (km/h) Resultados • Oportunidade para introduzir o tratamento estatístico de dados: • - Velocidade média, desvios em torno da média. • - Quem chuta mais forte? Correlação com características físicas pessoais (gênero, idade, tamanho, etc.).

16. Resumindo • Formalização do conceito de velocidade num contexto atraente aos alunos. • Medida impossível com cronômetro. • Motivação para análise estatística dos dados. • Ponto de partida para discussões da física do futebol: • a resistência do ar é importante a essas velocidades? • qual é a velocidade do pé logo antes do chute? Mais detalhes: C. E. Aguiar e M. M. Pereira, “Using the Sound Card as a Timer”, The Physics Teacher 49, 33-35 (2011)

17. Medindo a velocidade do som

18. som entrano tubo som saido tubo Medindo a velocidade do som D = 4,97 m T = 0,0142 s Vsom = D / T = 350 m/s A 28 oC e 63% de umidade (condições locais) a velocidade do som é 349 m/s.

19. Concepções sobre a propagação do som • O som não se propaga (é parte do objeto sonoro). • O som é algo material, provido de substância e “ímpeto”, que se propaga pelo ar. • Som mais intenso propaga-se mais rapidamente. • O som “vai parando” à medida que se propaga.

20. Som fraco anda mais devagar? Sérgio Tobias da Silva, Colégio Pedro II, RJ

21. Som fraco anda mais devagar? Vsom = 350 m/s T = 0,0142 s mesma velocidade

22. O som perde velocidade? Sérgio Tobias da Silva, Colégio Pedro II, RJ

23. O som perde velocidade? tubo 2 vezes mais longo Vsom = 10,08 m / 0,0290 s = 348 m/s

24. Resumindo • Experimento fácil de montar e executar. • Método direto, conceitualmente simples: V = D / T . • Resultados extremamente precisos (erro <1%). • Os métodos usuais são baseados na observação de ressonâncias ou medidas do comprimento de onda: V = λ f . Complicados de montar e entender. • Métodos diretos já propostos usam dois microfones e exigem montagem de circuito especial. • Mais detalhes: • S. T. Silva e C. E. Aguiar, “Propagação do Som: Conceitos e Experimentos”, Anais do XIX Simpósio Nacional de Ensino de Física (Manaus, 2011) • S. T. Silva, Dissertação de Mestrado, PEF-UFRJ, 2011.

25. moeda tira de papel h Escutando a queda livre

26. Tempo de quedamedido: • t = 0,449 s • Queda livre: • h = 96,1 cm • g = 978,8 cm/s2 t pancada natira de papel moeda caino chão Escutando a queda livre

27. netbook Numa escola do Rio de Janeiro Aquisição de dados Análise dos dados Marta Máximo Pereira, Colégio de Aplicação da UFRJ e CEFET-RJ

28. Resultados g = 983 cm/s2 No Rio de Janeiro, g = 979 cm/s2 – erro de 0,4%.

29. Resultados com cronômetro g = 870 cm/s2 Difícil reconhecer a relação h x t. Erro em g da ordem de 10%.

30. Resumindo • Medida do tempo de queda livre com boa precisão. • Permite verificar que h = ½ g t2. • Determinação de g com erro inferior a 1%. • Cronômetros manuais  experimento muito precário. Mais detalhes: C. E. Aguiar, M.M. Pereira, “O computador como cronômetro”, Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 34, n. 3, art. 3303 (2012)

31. O som no interior de tubos ressonantes Tubo com extremidades abertas: deslocamentodo ar no modo fundamental

32. O som no interior de tubos ressonantes Qual é a intensidadedo som neste ponto? Tubo com extremidades abertas: deslocamentodo ar no modo fundamental

33. O som no interior de tubos ressonantes Qual é a intensidadedo som neste ponto? Tubo com extremidades abertas: pressãodo ar no modo fundamental

34. Errado Certo O som no interior de tubos ressonantes Anderson R. de Souza, Colégio Pedro II, RJ

35. O som no interior de tubos ressonantes

36. O som no interior de tubos ressonantes Tubo com extremidades abertas.

37. O som no interior de tubos ressonantes 2º modo 3º modo

38. O som no interior de tubos ressonantes ladoaberto ladofechado Tubo com uma extremidade fechada: modo fundamental.

39. O som no interior de tubos ressonantes 2º modo ladoaberto ladofechado 3º modo Tubo com uma extremidade fechada.

40. Resumindo • Relação pouco intuitiva (diferença de fase de 90º) entre o deslocamento do ar e a pressão numa onda sonora. • Fonte de muita confusão entre os alunos (condições de contorno, por exemplo). • O que ouvimos: deslocamento ou pressão? • Método simples que permite mapear (com resultados “visuais”) a intensidade sonora no interior do tubo. • Mais detalhes: • A. R. Souza e C. E. Aguiar, “Observando ondas sonoras”, Anais do XII Encontro de Pesquisa em Ensino de Física (Lindóia, 2010). • A. R. Souza, Dissertação de Mestrado, PEF-UFRJ, 2011

41. Medida de FrequênciaCom que frequência o mosquito bate asas? zumbido de mosquito período = 0,0027 s frequência = 370 Hz

42. f = 370 Hz 2 f 3 f Com que freqüência o mosquito bate asas? Espectro de freqüências(obtido com o Audacity)

43. Efeito Doppler na Fórmula 1(Marco Adriano Dias, PEF-UFRJ) M. Schumacher, Suzuka 2003, “reta oposta”

44. Efeito Doppler na Fórmula 1 antes:880 Hz depois:577 Hz V = 254 km/h

45. tubo aberto ou fechado? Acústica de uma Garrafa

46. 2,8 cm 7,5 cm 3 cm 19 cm Dimensões da garrafa

47. Ondas estacionárias na garrafa c = velocidade do som = 340 m/s L = comprimento da garrafa = (19+3,0/2) cm = 20,5 cm Tubo fechado nos dois lados: f1 = 829 Hz Tubo aberto em um dos lados: f1 = 415 Hz

48. Batida no fundo da garrafa

49. 2 frequências dominantes Batida no fundo da garrafa (zoom)

50. 107 Hz 830 Hz Espectro sonoro ? tubo fechado