UNIDAD EDUCATIVA CATOLICA “LA VICTORIA”

MISIONEROS Y MISIONERAS IDENTES

AÑO LECTIVO 2013-2014

FUNCIONAMIENTO DEL TUBO DE RUBENS.

AUTORES:

DIEGO SEBASTIAN PALMA SUAREZ.

XAVIER ANDRÉS QUIÑÓNEZ VACA.

TERCERO DE BACHILLERATO EN CIENCIAS.

IBARRA, 15 DE ABRIL DEL 2014.

II

III

DEDICATORIA:

A Dios y la Virgen María por habernos permitido llegar hasta este punto de

nuestras vidas con salud, inteligencia, esperanza para lograr uno de nuestros

muchos objetivos, además de su infinita bondad y amor.

IV

AGRADECIMIENTO:

Queremos agradecer a nuestros padres y abuelita ya que con su esfuerzo,

cuidado, apoyo y amor estando siempre en los mejores momentos de nuestras

vidas como en los no tan buenos deforma perseverante y constante.

Gracias a ellos hoy en día nosotros estamos culminando esta etapa de

nuestras vidas. Y estando seguros que en el futuro seguirán con su dedicación

y vocación de padres.

V

ÍNDICE.

-1.-INTRODUCCIÓN: ....................................................................................................................... VII

-2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN: .......................................................................................... VII

2.1 PROBLEMA: ..................................................................................................................... VIII

-3. OBJETIVOS: ......................................................................................................................... VIII

3.1 OBJETIVOS GENERALES: ............................................................................................. VIII

3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS: ........................................................................................... VIII

-4. FUNDAMENTO TEÓRICO .......................................................................................................... IX

4.2 HISTORIA ........................................................................................................................... IX

-5. MARCO TEORICO ....................................................................................................................... XI

5.1 CAPITULO I: ....................................................................................................................... XI

EL SONIDO .............................................................................................................................. XI

5.1.1 COMPORTAMIENTO DEL SONIDO EN EL EXPERIMENTO: ................................XVI

5.1.2PRESION DEL SONIDO ...........................................................................................XVII

5.1.3 INTENSIDAD DEL SONIDO .................................................................................. XVIII

5.2 CAPITULO II: .......................................................................................................................XIX

ONDAS .................................................................................................................................XIX

5.2.1 Ondas Longitudinales: ..............................................................................................XIX

5.2.3 Ondas Transversales: ................................................................................................XX

5.3 Capítulo III:…………………………………………………………………… ……………...XXI

CONSTRUCCION DEL TUBO DE RUBENS……………………………………………………XXI

5.3.1 DESARROLLO: .............................................................................................................XXI

5.3.2 MATERIALES. ...............................................................................................................XXI

5.3.3 ELABORACION:...........................................................................................................XXII

-6. RESULTADOS: ..................................................................................................................... XXIVV

-7. CONCLUSIONES: ..................................................................................................................... XXV

-8. BIBLIOGRAFIA: ......................................................................................................................XXVII

-9. LINKOGRAFIA: ......................................................................................................................XXVIII

-10.TRABAJOS CITADOS ..........................................................................................................XXVIII

VI

1.-INTRODUCCIÓN:

En este proyecto se pretende hacer interaccionar la presión de un

gas con la presión que ejerce el sonido dentro de un tubo metálico y

observar la forma de onda que genera diferentes canciones. Para

esto se necesita primero ver como es la forma de onda de una

canción en un reproductor, la de un violín y una guitarra, de esta

forma será posible tener un marco de referencia diferente al que

siempre usamos: nuestros oídos, pero ahora con la combustión de

un gas el efecto será visual y desde luego se formaran ondas

estacionarias al rebotar el sonido en uno de los extremos.

El sonido es una onda mecánica y, por este motivo, requiere de un

medio para propagarse. Además, es longitudinal y, por ello, también

se conoce por onda de presión, debido a que cuando viaja por un

fluido como el aire genera diferencias de presión. En la educación

científica que se recibe se habla de estas ondas, pero lo que es

percibirla con los ojos nunca. El proyecto que se desarrolla tiene la

intención de advertir la posibilidad de conocer lo que se encuentra

dentro de una onda mecánica. Rubens construyó un tubo que recibe

su nombre. El tubo de Rubens es un simple aparato que es capaz de

ilustrar las variaciones de presión que provoca una onda longitudinal

por medio de una transformación a una forma de onda transversal,

visualizada gracias a movimiento de las partículas del gas propano o

butano debido al sonido. Es un tubo con pequeñas perforaciones

que permite la salida del gas que se introduce por una de las

aberturas y por la otra se expone al sonido por medio de una

membrana elástica. El sonido provocará en el gas la aparición de

zonas que tendrán mayor concentración de gas dando lugar a unas

llamas más altas y vivas que otras, zonas donde la onda no presiona

y apenas se ve la llama.

VII

Estas llamas nos dibujan la longitud y la frecuencia de la onda

sonora.

2 PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN:

2.1 PROBLEMA:

Demostrar un prototipo que permita ver las ondas sonoras de

diferentes amplitudes y frecuencias con la presión del gas diseñando

el “Tubo de Rubens”, para aprender experimentalmente el

funcionamiento de las ondas.

VIII

3. OBJETIVOS:

3.1 OBJETIVOS GENERALES:

Conocer al público en general el funcionamiento de las ondas

mecánicas de la naturaleza, longitud, mostrando su comportamiento

en las llamas que salen de acuerdo al tipo de sonido o música que

sea emitido.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

*Recopilar la suficiente información para la correcta construcción del

“TUBO DE RUBENS”

*Socializar a los estudiantes del Colegio “La Victoria” de una manera

didáctica de aprender experimentalmente la formación de ondas.

*Mostrar los distintos niveles de intensidad de las ondas variando el

tipo de sonido.

IX

4. FUNDAMENTO TEÓRICO

4.1 HISTORIA

El sonido cuando se propaga a través del aire genera diferencias de

presión; el sonido consiste en un movimiento ondulatorio producido

en un medio elástico por una fuente de vibración. La onda es

mecánica de tipo longitudinal cuando el medio elástico en que se

propaga el sonido es el aire y se regenera por variaciones de la

presión atmosférica por, sobre y bajo el valor normal, originadas por

la fuente de vibración. La velocidad de propagación del sonido es de

331mts por segundo a 0°C variando 0,65mts por segundo por cada

grado centígrado que se incremente en la temperatura ambiente.

-JOHN LE CONTE en 1858 descubrió que las llamas eran sensibles

al sonido. En 1862 RUDOLPH KOENIG demostró que la altura de

una llama podría verse afectada por la transmisión de sonido en el

suministro de gas, y el cambio con el tiempo podría ser mostrado

con rotación de espejos. KUNDT, en 1866, demostró con una

acústica, ondas poniendo semillas de LYCOPODIUM o polvo de

corcho en un tubo.

-Por último, en 1904, usando estos dos importantes

descubrimientos, HEINRICH RUBENS, utilizó un tubo de 4 metros

de largo perforado con 200 pequeños agujeros en él, con intervalos

de 2 centímetros, completándolo con un gas inflamable (Propano).

Después de encender el gas (cuyas llamas se elevaron a la misma

altura de los presentes), señaló que un sonido producido en un

extremo del tubo puede crear una ola de Pie, lo que equivale a la

longitud de onda del sonido que se está realizando. El Tubo de

Rubens es un aparato que nos muestra estas variaciones de presión

X

en forma de onda transversal, visualizándolas a través del gas

propano. El gas tiene zonas en que la onda es más larga ya que

recibe presión 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.

(RAMOS, 2013)

XI

5. MARCO TEÓRICO

5.1 CAPITULO I:

EL SONIDO

El sonido es una perturbación que hacemos a un determinado medio

físico (como aire, agua, metal, etc.) de tal modo que lo que producimos

en él es una onda mecánica de naturaleza longitudinal. En el caso del

aire son las partículas que lo componen las que vibran, y la frecuencia

y amplitud de esta vibración dependerán de la fuente sonora que las

está produciendo. Así por ejemplo cuando tocamos la cuerda de una

guitarra, ésta comienza a vibrar y es esa vibración la que perturba el

medio que lo rodea (aire en este caso). Entonces la cuerda vibrante

perturba a las moléculas de gas que están a su alrededor, haciéndolas

oscilar con la misma. En otras palabras, lo que hace la cuerda es

modificar la densidad del aire, lo hace oscilar, y esta perturbación se

transmite como una onda longitudinal por todo su rededor, provocando

que la concentración de partículas gaseosas varíe en el tiempo

mientras pasa por ahí la onda sonora.

Acústica: Parte de la física que estudia los fenómenos relacionados con

el sonido.

Onda: Es una perturbación que se propaga y transmite solamente

movimiento y energía sin la necesidad de transmitir masa y partículas.

Tiene cuatro elementos: cresta, valle, amplitud y longitud de onda.

XII

Grafico N: 1.- Elementos de una onda.

Onda sonora: Onda longitudinal que se produce por hacer vibrar los

cuerpos y es captada por el oído.

Sonido: Onda longitudinal que se puede transmitir en medios

gaseosos, líquidos y sólidos; tiene tres cualidades: intensidad

(energía de vibración), tono (agudo/grave) y timbre (diferencia a

sonidos del mismo).

Tabla 1: En esta tabla encontramos la velocidad del sonido en

diferentes medios, pero cuando aumenta la temperatura estos

valores cambian.

XIII

(Adrián G.)

Onda estacionaria: se forma por la interferencia de dos ondas de la

misma naturaleza con igual amplitud, longitud de onda (o frecuencia)

que avanzan en sentido opuesto a través de un medio.

Grafico N: 2.- Elementos de una onda estacionaria.

(Bruzos)

Se producen cuando interfieren dos movimientos ondulatorios con la

misma frecuencia, amplitud pero con diferente sentido, a lo largo de

una línea con una diferencia de fase de media longitud de onda.

Las ondas estacionarias permanecen confinadas en un espacio

(cuerda, tubo con aire, membrana, etc.). La amplitud de la oscilación

para cada punto depende de su posición, la frecuencia es la misma

para todos y coincide con la de las ondas que interfieren. Hay puntos

que no vibran (nodos), que permanecen inmóviles, estacionarios,

mientras que otros (vientres o antinodos) lo hacen con una amplitud

de vibración máxima, igual al doble de la de las ondas que

interfieren, y con una energía máxima. El nombre de onda

estacionaria proviene de la aparente inmovilidad de los nodos. La

distancia que separa dos nodos o dos antinodos consecutivos es

media longitud de onda.

XIV

Frecuencia: Número de oscilaciones que se dan por unidad de

tiempo en cualquier movimiento periódico.

Gas: Estado de agregación de la materia en la que las fuerzas

intermoleculares son demasiado débiles.

Hertz: Unidad de medida de frecuencia en el sistema internacional

de unidades (SI), equivale al número de oscilaciones que se

producen durante 1 segundo en un movimiento periódico.

Onda transversal: Onda en la cual la dirección de oscilación de las

partículas del medio es perpendicular a la dirección de propagación

de la misma.

Presión: Es la fuerza aplicada sobre alguna superficie o área, de tal

manera que ambos son perpendiculares.

XV

Grafico N: 3.- Ondas dentro del Tubo de Rubens

(Espejo, 2012)

XVI

5.1.1 COMPORTAMIENTO DEL SONIDO EN EL EXPERIMENTO:

Podemos decir que el sonido es una onda que se genera partir del

movimiento vibratorio de un cuerpo, este necesita un medio para

poder transmitirse, por Lo que podría ser por los estados (solido,

líquido y gaseoso), y esta puede tener altura, relacionada con su

frecuencia, intensidad relacionada con la amplitud de onda, timbre,

relacionado con la forma de la onda, y duración, relacionado con el

tiempo de vibración. El comportamiento del sonido, podemos

observarlo en la naturaleza (excepto en el vacío) por lo cual la

experimentación con este resulta relativamente fácil. El sonido al no

poder propagarse por el vacío debería necesariamente perturbar el

medio por el cual se transmite y demostrar la perturbación del medio

que genera una onda de sonido.

Nosotros apreciamos que hubo cambios de frecuencias (desde 1

KHz hasta los 22 KHz) el cual influyó el tipo de música que

reproducíamos, por lo tanto eso demostró que toda onda sonora

produce una vibración que perturba el medio por el cual se transmite

reafirmando así que el sonido es una onda mecánica que definimos

como “onda que genera una perturbación de las propiedades

mecánicas de un medio material (posición, velocidad y energía de

sus átomos o moléculas) que se propaga en el medio”.

Eventualmente el sonido necesita un medio para poder propagarse

ya que este se origina en una vibración luego se sigue transmitiendo

perturbando el medio por el cual se esté propagando, como se

demuestra en el experimento en el cual el sonido perturbó al gas

dentro del tubo a medida que avanzaba, por lo que se generaban

distintas presiones dentro del tubo y esto se manifestaba en los

cambios producidos en la llamas de fuego. De esta manera

XVII

nuevamente podemos decir que se comprueba que; “El sonido al no

poder propagarse por el vacío debería necesariamente perturbar el

medio por el cual se transmite”.

(Espejo, 2012)

5.1.2PRESIÓN DEL SONIDO

La presión del sonido o reconocida también como acústica es

producto de la propagación del sonido. Se libera una energía por las

ondas sonoras que a la vez genera un movimiento de forma ondular

de las partículas del aire, provocando así la variación de la presión

estática del aire. La presión atmosférica es la presión del aire sobre

la superficie terrestre. Por consecuencia tenemos que se ha

desarrollado zonas de concentración de las partículas y zonas

menos saturadas denominadas zonas de rarefacción. Cuando las

ondas se encuentran con el oído la presión que ejercen sobre el

mismo no es igual para toda la longitud de la onda.

La presión sonora se puede medir en pascales por lo cual su valor

disminuirá al de la atmosférica, el umbral de audición está evaluado

en unos 20 micro pascales (20 μPa), también podemos medir la

presión sonora en micro bar (μbar), que es la millonésima parte del

bar (1 Pa=1 N/m²=10 μbar y 1 μbar=10-6 bar).Existe una diferencia

entre la presión atmosférica y la presión atmosférica y es la

variación, mientras que la atmosférica cambia muy lentamente en la

sonora se alterna muy rápidamente su frecuencia.

El ser humano no tiene la sensibilidad suficiente para soportar todas

las frecuencias .El margen de frecuencias que pueden producir la

sensación de sonido cuando impresiona el oído humano es lo que se

conoce como audiofrecuencias y va de los 20 a los 20 000 Hz, es

XVIII

fácil confundir la presión acústica con la potencia acústica. La

confusión viene por el hecho de que la presión sonora es la

responsable directa de la amplitud de la onda y la amplitud

determinara la cantidad de energía (potencia acústica) que contiene

una señal sonora. Para diferenciarla entre sonidos más intensos (el

oído soporta mayor cantidad de presión sonora), de sonidos débiles,

se utiliza el llamado nivel de presión sonora.

(GUTIEREZ)

5.1.3 INTENSIDAD DEL SONIDO

La intensidad del sonido se define como la potencia acústica por

unidad de área. El contexto habitual es la medición de intensidad de

sonido en el lugar del oyente. Las unidades básicas son vatios/m2 .

Muchas mediciones de la intensidad del sonido se hacen con

relación a la intensidad del umbral de audición estándar (Io).

También podemos utilizar para la medición de la intensidad del

sonido los decibelios.

Los decibelios miden la relación de una intensidad dada (I) con la

intensidad del umbral de audición, de modo que este umbral toma el

valor 0 decibelios (0dB). Para nosotros evaluar el volumen del

sonido, como distintivo de una medida de intensidad utilizamos la

sensibilidad del oído.

(WIKIPEDIA, 2014)

XIX

5.2 Capitulo II:

Ondas

Podemos definir la palabra onda como la perturbación que avanza,

que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. Cuando

estas ondas necesitan de un medio material, se llaman ondas

mecánicas. Las ondas electromagnéticas son las que se propagan

en el vacío.

El sonido es un tipo de onda mecánica que se propaga únicamente

en presencia de un medio material.

Un cuerpo al vibrar genera un movimiento de vaivén (oscilación) a

las moléculas de aire que lo rodean, haciendo que la presión del aire

se eleve y descienda alternativamente. Los cambios de presión se

trasmiten por colisión entre las moléculas de aire y la onda sonora

que es capaz de desplazarse hasta nuestros oídos. Las partes de la

onda en que la presión aumenta es decir las moléculas se juntan, se

llaman compresiones y aquellas en que la presión disminuye y las

moléculas se alejan, se llaman enrarecimientos.

Clasificamos las ondas en dos tipos:

5.2.1 Ondas Longitudinales:

Definimos como la vibración de la onda que es paralela a la

dirección de propagación de la propia onda. Estas ondas se deben a

las sucesivas compresiones y enrarecimientos, de este tipo son

las ondas sonoras. Un resorte que se comprime y estira también da

lugar a una onda longitudinal.

XX

Grafico N: 4.- Ilustración onda longitudinal.

El sonido se trasmite en el aire mediante ondas longitudinales se

dice que cuando se propaga el sonido y tenemos dos persona una

dentro de un salón y otro fuera, mas rápido escuchara el que se

encuentra fuera al que se encuentra dentro.

Otro ejemplo de onda longitudinal es aquella que se produce cuando

se deja caer una piedra en un estanque de agua, Se origina una

perturbación que se propaga en círculos concéntricos que, al cabo

del tiempo, se extienden a todas las partes del estanque.

5.2.3 Ondas Transversales:

Donde la vibración es perpendicular a la dirección de la onda. Las

ondas transversales se caracterizan por tener montes y valles. Por

ejemplo, las ondas que se forman sobre la superficie del agua al

arrojar una piedra o como en el caso de una onda que se propaga a

lo largo de una cuerda tensa a la que se le sacude por uno de sus

extremos.

Grafico N: 4.- Ilustración onda transversal.

XXI

5.3 CAPITULO III:

CONSTRUCCIÓN DEL TUBO DE RUBENS.

5.3.1 DESARROLLO:

Para poder construir el “TUBO DE RUBENS” se necesita.

5.3.2 MATERIALES:

• Un tubo de metal de 1.50 metros de longitud

• Soportes para sujetar el tubo

• Regulador de presión

• Manguera de gas

• Abrazaderas

• Niple

• Reductor

• Parlantes

• Membrana de látex (guante)

• Cinta aislante

• Aislante (pedazo de neumático)

XXII

5.3.3 ELABORACIÓN:

En la siguiente imagen se observa los pasos que se debe seguir

para elaborar el proyecto.

DESARROLLO:

1. Colocar sobre la tabla el tubo, esta servirá como base para poder sostenerlo.

2. Empezar a hacer las mediciones al tubo para que sea perforado (cada hoyo,

tiene una distancia de separación de 1 cm).

3. Con el taladro y la broca, empezar a perforar el tubo

4. Una vez perforado, se debe ajustar la bocina al embudo, de tal forma que la

bocina quede más o menos al tamaño del mismo (esto se hace con la finalidad

de que no haya fugas del sonido y del gas) y así mismo, se procederá a

ajustarlo.

5. Del otro extremo abierto, se coloca una conexión a la manguera de gas

XXIII

(campana), esta se ajusta al extremo del tubo.

6. Conectar a la bocina el reproductor de música.

7. Ya que todas las conexiones del lado del sonido estén seguras, liberar el

gas LP (poco a poco) y prender fuego con un cerillo o encendedor.

8. Reproducir la música y observar el movimiento de las ondas.

(F.A.M.A, 2014)

XXIV

6. RESULTADOS:

El tubo se divide en 2 partes: agudo y grave (no por ser agudo ni

grave se determinará si sale más grande o chica la llama, todo

depende de la misma música).

El fuego musical funciona como una especie de visualizador de la

longitud de ondas que transporta el sonido.

A traves de la experimentacion demostrada en clases, se pudo

comprobar con éxito la realizacion de la experimentacion , siendo a

la vez muy sorprendente. Así también todos los equipos usados para

esta experimentacion son faciles de encontrar, y tambien el unico

reactivo utilizado que era el gas propano.

Se tiene que tener mucho cuidado en esta experimentacion, ya que

el parlante tiene que estar a la distancia correcta del tubo, ni muy

alejado, ni muy cerca, para que la realizacion de la misma sea

buena.

XXV

7. CONCLUSIONES:

Se ha podido demostrar los conceptos relacionados al Tubo de

Rubens, y así mismo como este se relaciona con la termodinámica.

Así también se pudo mostrar que cuidados se debe tener al hacer un

experimento de este tipo.

Así también, tener cuidado con la realización de los huecos en el

tubo de metal, puesto que si se los realiza de manera que estén

cerca de la manguera que alimenta el sistema, este podría explotar,

haciendo de esta forma muy peligrosa dicha experimentación.

Se pudo observar el éxito de dicha experimentación, demostrando el

uso de la Termodinámica para la realización del mismo.

XXVI

8. BIBLIOGRAFÍA:

-Álvarez Alvarenga Beatriz y Máximo, Física General, Oxford,

Editorial “Reverté”, 4ta Edición, 2007.

-Hewitt Paul, Física Conceptual, 10ma Edición, Editorial

“Prentice Hall”, 2009.

-Sears Zemansky, Física General, Edición Aguilar, 1974.

-Edwin Galindo, Física Superior, Edición Ágoras, 2013.

XXVII

9. LINKOGRAFÍA:

-el-tubo-de-

rubens.html

.educastur.princast.es/proyectos/jimena/pj_franciscga/c

oncytip.htm

XXVIII

10. TRABAJOS CITADOS

Adrián G., E. T. (s.f.). EL SONIDO. Obtenido de http://fqmalbaida.wikispaces.com/Trabajo+2

Anonimo. (s.f.). TECNOLOGIA. Obtenido de ONDAS ELECTROMAGNETICAS:

http://www.areatecnologia.com/ondas-electromagneticas.htm

Bruzos, I. T. (s.f.). SABELOTODO. Obtenido de http://www.sabelotodo.org/ondas/onda.html

Espejo, R. (14 de Agosto de 2012). Slideshare. Obtenido de Slideshare:

http://www.slideshare.net/raimundoespejo/comportamiento-del-sonido

F.A.M.A. (27 de marzo de 2014). Feria de Ciencias. Obtenido de Feria de Ciencias:

http://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria20/feria071_01_fuego_music

al.pdf

GUTIEREZ, I. A. (s.f.). RUIDO. ARICA: I.P.R.C.A.

RAMOS, P. C. (2013). TUBO DE RUBENS. PERU.

Reference, W. (27 de Marzo de 2014). Word Reference. Obtenido de

http://www.wordreference.com/definicion/decibelio

WIKIPEDIA. (14 de MARZO de 2014). Obtenido de Onda mecánica:

http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_mec%C3%A1nica

WIKIPEDIA. (22 de ENERO de 2014). WIKIPEDIA. Obtenido de Intensidad de sonido:

http://es.wikipedia.org/wiki/Intensidad_de_sonido