PhysicsSensor - Ludifisica - Universidad Nacional de Colombia
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE FÍSICA SOFTWARE 0 PhysicsSensor –Mobile EditionMódulo # 8: Generador de señales M. Sc. Diego Luis Aristizábal Ramírez 2015 Medellín, Colombia Generador de señales E ste módulo trata sobre el uso de la aplicación GENERADOR SEÑAL de PhysicsSensor en su versión para dispositivos móviles ANDROID. Teniendo en cuenta que el objetivo principal de esta plataforma es ser usada en los laboratorios de enseñanza de las ciencias exactas y naturales, se analiza además de su manejo los principios físicos de su funcionamiento. Para esto se divide el módulo en los siguientes temas: Principios físicos de funcionamiento Sobre la generación del sonido con el dispositivo móvil El generador de señales de PhysicsSensor Algunos experimentos 1. Principios físicos de funcionamiento Una señal armónica es aquella que su representación en el tiempo es una función sinusoidal, ecuación 1, y = A sen 2π f t + φo Ecuación 1 en donde A es la amplitud de la señal, f su frecuencia en Hz, t en tiempo, y φ o su fase inicial. Las oscilaciones que cumplen este modelo se denominan, oscilaciones armónicas. Los movimientos que obedecen este modelo se denominan movimientos armónicos simples. El GENERADOR DE SEAÑALES de PhysicsSensor produce este tipo de señales a través de la tarjeta de sonido del dispositivo móvil. 2. Sobre la generación del sonido con el dispositivo móvil 2.1. Sobre la digitalización del sonido Cuando se habla de digitalización hay que definir dos conceptos: la cuantización (quantization) y el muestreo (sampling). Cuantización Se refiere a la discretización del rango de la señal, es decir, al número de niveles de la amplitud de ésta (número de niveles en que se parte la amplitud de la señal análoga correspondiente). Esta discretización depende del número de bits asignados: a 8 bits le corresponde 28 = 256 niveles, a 16 1 bits le corresponde 216 = 65 536 niveles, a 24 bits le corresponde 2 24 = 16 777 216 niveles. A este concepto se le conoce también con el nombre Profundidad de Bit (Bit Depth). Muestreo Se refiere a la discretización del dominio de la señal, es decir, al número de muestras que se toman de la señal análoga correspondiente. El denominado teorema del muestreo exige que la frecuencia con la cual se muestrea debe ser como mínimo el doble de la frecuencia más alta presente en la señal análoga que se digitaliza. En el caso del sonido, la frecuencia más alta perceptible por ser humano es alrededor de los 20 000 Hz, por lo tanto se debe muestrear mínimo a 40 000 Hz para no perder calidad del sonido. Normalmente se muestrea a 44 100 Hz. Como ejemplo, para los Compact Discs el Bit Depth de 16 bits y la frecuencia de muestreo es de 44 100 Hz. Hay sistemas de grabación de sonido con Bit Depth de 24 bits y frecuencia de muestreo de 96 000 Hz. La mayoría de los dispositivos móviles actuales manejan el audio para frecuencias de muestreo de 44 100 Hz y cuantización de 16 bits. 2.2. Generación del sonido armónico con el dispositivo móvil Los dispositivos móviles tienen su salida de audio (parlante). A través de éste se pueden emitir el sonido generado con la tarjeta de sonido a través del generador de señales de PhysicsSensor. 2.3. Adaptación de un oscilador mecánico a la salida de la tarjeta de sonido Adicionalmente se le puede adaptar un oscilador mecánico al dispositivo móvil. Para esto PhysicsSensor en su hardware implementa una interface electrónica de audio para lograr conectar un oscilador mecánico a través de la salida de audio donde se conectan los auriculares (ver Módulo # 1: Interface de audio de PhysicsSensor para el hardware). 3. El GENERADOR DE SEÑAL de PhysicsSensor Para generar sonidos armónicos PhysicsSensor de la aplicación denominada Generador de Señal y reemplaza al denominado generador de ondas de los laboratorios de física. La aplicación emplea la tarjeta de sonido del dispositivo móvil para obtener señales armónicas entre 5 Hz y 5 000 Hz a través de la salida en modo audífono. Para generar señales armónicas con muy buena resolución se muestrea a 44 100 Hz. La aplicación puede ser usada para realizar experimentos de ondas y oscilaciones. Convierte el teléfono celular en un generador de señales armónicas. Acoplándole el celular a través de la interface de acondicionamiento para la tarjeta de sonido, Figura 1 (ver Módulo # 1: Interface de audio de PhysicsSensor para el hardware), a un amplificador de señales (ver Módulo # 3: Amplificador de PhysicsSensor para el hardware) permitirá realizar numerosas experiencias en los laboratorios de física (oscilación de cuerdas, placas vibrantes, varillas vibrantes,...): en este caso al amplificador se acopla el oscilador mecánico de PhysicsSensor (ver Módulo # 4: Oscilador Mecánico de PhysicsSensor para el hardware). En la Figura 2 se ilustra el amplificador de PhysicsSensor que se le puede acoplar y cuyos detalles de construcción se encuentran en el Volumen 2 II de este manual de PhysicsSensor. 3 Figura 1: Teléfono celular acoplado a la interface de audio de PhysicsSensor Figura 2: Amplificador de PhysicsSensor Esta aplicación hace que el teléfono celular reemplace en buena medida el generador de ondas comercial que se emplean en los laboratorios de física y cuyo costo oscila con precios entre US 300 y US 500. Para acceder a la aplicación se siguen los siguientes pasos: Se hace clic en el icono para ejecutar PhysicsSensor en el dispositivo móvil. Se despliega la ventana de la Figura 3¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. izquierda. Se hace clic en el botón Aceptar y se despliega la ventana de la Figura 3¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. centro. Se hace clic en el botón GENERADOR SEÑAL y se despliega la ventana Figura 3 derecha. 4 Figura 3: GUI de PhysicsSensor La aplicación permite simultáneamente usar el sonómetro: para esto se hace clic en el TAB Sonómetro. 4. Algunos experimentos 4.1. Ondas estacionarias en una cuerda Objetivo general Estudiar las ondas transversales estacionarias en una cuerda tensa. Objetivos específicos Verificar que para pequeñas amplitudes de vibración la velocidad de propagación V de las ondas transversales en una cuerda tensa cumple que: V= F μ [1] donde F corresponde a la tensión en la cuerda medida en Newton (N) y µ a su densidad lineal de masa medida en kg.m -1 Estudiar el fenómeno de resonancia Elaborar e interpretar gráficas experimentales. 5 Fundamento teórico Linealización Regresión lineal Ondas estacionarias Resonancia Modos normales de oscilación en una cuerda Procedimiento Realizar el montaje de la Figura 4. La cuerda se tensiona atando a uno de sus extremos una masa de unos 100 g; el otro extremo está atado al parlante. El parlante se hace oscilar mediante una señal armónica obtenida del celular (Generador de señales de PhysicsSensor). Para obtener la señal con buena potencia se acopla el celular a un amplificador. Figura 4: Montaje experimental para las ondas estacionarias en una cuerda Empezar a variar la frecuencia a partir de unos 10 Hz hasta que la cuerda oscile en su primer armónico. Empezar a llenar la Tabla 1. Tabla 1 n (número del modo) 1 2 3 4 5 f n (frecuencia en Hz) Continuar variando la frecuencia hasta obtener el segundo armónico. Anotar en la Tabla 1. Continuar variando la frecuencia hasta obtener hasta el armónico 5. Anotar en la Tabla 1. Graficar fn vs n. Según el análisis teórico que se realizó en este módulo las frecuencias propias de este sistema están dadas por la ecuación [2], fn = nV , n = 1,2,3,.. 2L [2] ¿Los resultados verifican esta ecuación? Observar que la gráfica fn vs n teóricamente debe dar una recta de pendiente igual a V/2L. Medir la longitud L efectiva de la cuerda que oscila (distancia medida desde el eje donde se amarra la cuerda al parlante hasta la polea, ver Figura 4). De la pendiente de la recta obtener el valor de la velocidad de propagación V de las ondas transversales en la cuerda. masa ). longitud Medir la densidad lineal de masa de la cuerda ( μ= Usando el valor de la tensión de la cuerda (en N) y su densidad lineal (en kg/m) calcular mediante la expresión [1] el valor de la velocidad V. Comparar este valor con el obtenido de la pendiente de la gráfica. Uso de un estroboscopio Poner a oscilar la cuerda en alguno de sus armónicos y observar a través de un estroboscopio manual de PhysicsSensor, Figura 5 (ver Módulo # 5: Estroboscopio manual de PhysicsSensor para el hardware). Hacer girar el estroboscopio con una velocidad angular que permita ver la oscilación de la cuerda en “cámara lenta”. 6 7 Figura 5: Estroboscopio manual de PhysicsSensor 4.2. Ondas estacionarias en columna de gas Objetivo general Medir la velocidad del sonido en el aire. Objetivos específicos Estudiar las ondas sonoras estacionarias en una columna de aire. Estudiar el fenómeno de resonancia. Reportar datos experimentales. Fundamento teórico Ondas estacionarias Resonancia Modos normales de oscilación en una columna de aire Procedimiento Medir la temperatura del medio ambiente y determinar mediante la ecuación [5] el valor que se tomará como convencionalmente verdadero para la medida de la velocidad del sonido en el aire. V = 331,5 + 0,6 t [3] Realizar el montaje de la Figura 6. Se trata de un tubo cerrado al cual se le puede variar la longitud de la columna de aire a través del movimiento de un pistón. La cabeza izquierda del tubo, posee un parlante y un micrófono, ambos conectados a un celular: este tubo se denomina tubo de Kundt y PhysicsSensor posee un diseño del mismo en su hardware (ver Módulo # 9: Tubo de Kundt de PhysicsSensor). Se genera un sonido de unos 2000 Hz mediante una señal armónica obtenida del celular (Generador de señales de PhysicsSensor). Luego se activa el Sonómetro de PhysicsSensor para medir el nivel de intensidad del sonido. 8 Figura 6: Montaje de las ondas estacionarias en un gas (tubo de Kundt) Mover lentamente el pistón alargando la columna de aire dentro del tubo. Con ayuda del instrumento virtual Sonómetro de PhysicsSensor determinar la posición de cinco máximos consecutivos en el sonido (longitudes de resonancia) a medida que se desplaza el pistón dentro del tubo y consignarlas en la Tabla 2. Tabla 2 1 2 3 4 5 Posición de máximos Sabiendo que entre dos máximos (vientres) consecutivos hay media longitud de onda, calcular la longitud de onda promedio empelando los datos de la Tabla 2. Como λf = V obtener el valor de la velocidad del sonido. Comparar el resultado con el obtenido usando la ecuación [3]