Alternanza Scuola-Lavoro Ciclo di lezioni di Fisica ESPERIENZA DI LABORATORIO SULLA MISURA DELLA VELOCITA’ DEL SUONO IN ARIA Dott. Angelo Sampaolo

ONDE ACUSTICHE Le onde sonore sono prodotte dalla vibrazione di un corpo che produce una perturbazione della pressione e della densità dell’aria. Tale perturbazione si propaga mediante gli urti tra le molecole dell’aria. Le onde sonore sono longitudinali: le molecole d’aria vibrano nella direzione di propagazione dell’onda. Un’onda sonora può essere rappresentata ponendo su un grafico la densità delle molecole d’aria (o la pressione) in funzione della posizione in un dato istante. Pressione (atm)

v =  f 17.2 m < λ < 1.72 cm SUONO onda sonora : sensibilità orecchio umano 20 Hz < f < 2 104 Hz 17.2 m < λ < 1.72 cm v =  f infrasuoni ultrasuoni a T = 20 oC: a T = 0 oC: v = 343 m/s v= 331 m/s

SUONI PURI E COMPLESSI Si dicono suoni puri o toni puri i suoni caratterizzati da un onda di una sola frequenza. Se si considera il loro “spettro” di intensità in funzione della frequenze si ha una sola riga in corrispondenza della frequenza del suono puro. Suoni complessi sono quelli il cui spettro comprende molte componenti pure. Se le componenti sono così numerose da costituire praticamente un continuo si parla di spettro a larga banda. Intensità Intensità Frequenza

TIMBRO Se un oboe e un violino suonano la stessa nota udiamo suoni diversi. La nota rappresenta la frequenza fondamentale prodotta dallo strumento. Ciascuno strumento produce anche armoniche superiori le cui intensità relative dipendono dallo strumento e da come è suonato. La caratteristica di un suono, che dipende dalla presenza di armoniche superiori ed in particolare dal loro numero e dalla loro ampiezza relativa si chiama TIMBRO. Quando si analizzano le forme d’onda relative ad un suono determinando le armoniche presenti e la loro intensità relativa si fa un’analisi armonica o analisi di Fourier Intensità Frequenza

SORGENTI SONORE Componenti primarie: meccanismo per produrre vibrazioni struttura di risonanza Negli strumenti a corda si producono onde stazionarie pizzicando le code. Il tono è determinato dalla frequenza fondamentale che corrisponde al caso in cui i nodi si formano solo agli estremi. La corda “forza” l’aria a vibrare alla sua stessa frequenza (ma velocità e lunghezza d’onda delle onde sono diverse). La cassa armonica funge da amplificatore. Gli strumenti a fiato generano il suono tramite la vibrazione di onde stazionarie nella colonna d’aria contenuta in un tubo o in una canna. Le onde stazionarie possono formarsi nell’aria contenuta in qualunque cavità ma le frequenze presenti risultano complicate tranne nel caso di forme molto semplici.

COLONNA D’ARIA con entrambe le estremità aperte Posso produrre onde stazionarie anche quando ho una colonna d’aria aperta a entrambi gli estremi In questo caso, agli estremi ho due ventri In generale: n= 2L/n n = n(v/2L) n=1,2,3,.. 1=2L 2=L 2=2L/3

COLONNA D’ARIA con una estremità aperta L’onda deve avere: un nodo sul fondo (es. di una bottiglia) (le molecole non possono oscillare) un ventre (antinodo) sull’apertura (le molecole si possono muovere liberamente) L = 1/4   = 4L 1 = v/4L In generale: n= 4L/(2n-1) n=1,2,3,.. n= (2n-1)v/4L SOLO ARMONICHE DISPARI

FUNZIONE DELLE STRUTTURE DI RISONANZA DIVERSI DIAPASON CON FREQUENZE VICINE Intensità Intensità v/2L v/L 3v/2L Frequenza Frequenza L’intensità sonora che raggiunge il microfono è più elevata in corrispondenza delle frequenze di risonanza del tubo

L’ORECCHIO UMANO ORECCHIO ESTERNO: RISUONATORE ORECCHIO INTERNO: ANALIZZATORE DI FREQUENZE ORECCHIO MEDIO: AMPLIFICATORE Nell’orecchio esterno (canale auricolare) si producono onde stazionarie con n = 4L/(2n-1) Nel padiglione auricolare la pressione è quella atmosferica (nodo di onda stazionaria) Affinché il timpano vibri e si formi un’onda stazionaria, l’onda deve presentarsi con un ventre al timpano dove avviene la riflessione.

ESPERIENZA DI LABORATORIO Misura della velocità del suono in aria 𝒇 𝟏 𝟐 = 𝟏 𝟏𝟔 𝒗 𝟐 𝑳 𝟐 𝒇 𝒏 = (𝟐𝒏−𝟏)𝒗 𝟒𝑳 𝒇 𝟏 = 𝒗 𝟒𝑳 Applicando la descrizione fisica ad una cavità risonante a forma di bottiglia, la relazione precedente si modifica in 𝒇 𝟏 𝟐 = 𝒂 𝟒∙𝑨∙ 𝝅 𝟐 𝒗 𝟐 𝒍∙𝐋 𝐋 = 𝒂 𝟒∙𝑨∙𝒍∙ 𝝅 𝟐 𝒗 𝟐 𝒇 𝟏 𝟐

ESPERIENZA DI LABORATORIO Misura della velocità del suono in aria 𝐋 = 𝒂 𝟒∙ 𝝅 𝟐 ∙𝑨∙𝒍 𝒗 𝟐 𝒇 𝟏 𝟐 ma 𝑳 ′ =𝑳+𝒍 quindi 𝑴 = 𝒂∙ 𝒗 𝟐 𝟒∙ 𝝅 𝟐 ∙𝑨∙𝒍 l 𝐋′ = 𝒂∙ 𝒗 𝟐 𝟒∙ 𝝅 𝟐 ∙𝑨∙𝒍∙ 𝒇 𝟏 𝟐 +𝒍 e se poniamo A 𝐋′ =𝑴∙ 𝟏 𝒇 𝟏 𝟐 +𝒍 L’ FASI DELL’ESPERIENZA L Riempiamo la bottiglia con acqua a livelli crescenti dal fondo per variare la lunghezza L’ della cavità risonante; Soffiamo nella bottiglia, registriamo con un microfono il suono ottenuto e lo analizziamo con un frequenzimetro per misurare la frequenza dell’onda stazionaria risonante nella bottiglia; Rappresentiamo in un grafico le frequenze misurate (asse delle x) in corrispondenza delle diverse lunghezze L’ (asse delle y); Analizziamo i risultati per calcolare dalla pendenza della retta M la velocità del suono v; Relazioniamo con una breve presentazione su i risultati ottenuti.