La velocidad del sonido se puede medir en casa

Investigadores de la Universidad de Uruguay ORT han ideado un laboratorio doméstico en el que se utiliza una aspiradora telescópica y un teléfono inteligente para calcular la velocidad del sonido y la resonancia acústica.

Un equipo de profesores de física ha ideado una forma de medir la velocidad del sonido utilizando el tubo telescópico de una aspiradora y un teléfono inteligente que dispone de una aplicación de análisis de sonido.

Crean un micrófono óptico que puede ver el sonido

Esta simple experiencia en el hogar permitirá a los estudiantes reemplazar el trabajo de laboratorio limitado por la pandemia. El estudio se publica en la revista Physics Education.

La educación a distancia fue una forma secundaria de educación durante mucho tiempo hasta que llegó la pandemia de COVID-19. Lo más difícil fue reestructurar las ciencias naturales, una parte significativa de las cuales se realiza mediante trabajo de laboratorio.

Teléfonos inteligentes

Por ello, los esfuerzos de muchos profesores de física se centran en ofrecer a los alumnos y estudiantes tareas que puedan realizar desde la comodidad de sus hogares.

Los teléfonos inteligentes pueden desempeñar un papel importante en esto. Al ser una plataforma técnica flexible con muchas posibilidades, estos dispositivos se utilizan incluso en la "gran" ciencia, por ejemplo, para diagnosticar infecciones o cáncer.

Un nuevo ejemplo del uso de los teléfonos inteligentes para las necesidades de la educación en el hogar lo dio un grupo de físicos liderados por Martín Monteiro de la Universidad de Uruguay ORT.

Muestran cómo medir la velocidad del sonido utilizando un teléfono móvil y el tubo telescópico de una aspiradora.

Resonancia acústica

La idea del experimento se basa en el fenómeno de la resonancia acústica. Ocurre en el momento en que aparece una onda estacionaria en un resonador, por ejemplo, en un instrumento musical.

Esas resonancias se caracterizan por un conjunto de frecuencias, la mayoría de las veces equidistantes. La más baja de ellas determina la nota del instrumento musical, mientras que los armónicos restantes forman su timbre característico.

Si el resonador es un tubo con extremos abiertos, entonces la onda de presión tiene nodos en ellos. Esto significa que un número entero de medias longitudes de ondas siempre cabe a lo largo de la tubería.

Al medir la frecuencia de todas las resonancias y conocer el tamaño del resonador, se puede sacar una conclusión sobre la velocidad del sonido cuando pasa por la tubería.

App de sonido

Para medir las frecuencias, los autores sugieren usar un teléfono inteligente con una aplicación instalada que le permita analizar el espectro del sonido que llega al micrófono utilizando la transformada rápida de Fourier (DFT), fundamental en el análisis matemático.

Hay muchas aplicaciones gratuitas disponibles para esto. Los físicos optaron por Advanced Spectrum. Como resonador, utilizaron el tubo telescópico de una aspiradora.

La posibilidad de cambiar la longitud del resonador es importante, ya que las mediciones de la misma cantidad en diferentes condiciones experimentales siempre dan un resultado más preciso.

Los autores excitaron la resonancia en el tubo con la ayuda de un golpe seco con la palma de la mano desde un extremo y midieron el espectro desde el otro.

Sonido láser

A continuación, los físicos trazaron la frecuencia fundamental en función de la longitud recíproca de la tubería.

La teoría le prescribe un aumento lineal con un ángulo de pendiente igual al doble del valor de la velocidad del sonido.

Extrayendo este valor de la aproximación, los autores obtuvieron un valor de 343 ± 3 metros por segundo, que concuerda bien con el valor conocido para el aire en condiciones normales.

En general, la velocidad del sonido puede depender de la frecuencia. El efecto de la dispersión acústica es más pronunciado en los sólidos y también se puede medir con un teléfono inteligente. El sonido al mismo tiempo se asemejará al disparo de una pistola de rayos (blaster) propia de la película de ciencia ficción La guerra de las galaxias.

Referencia

A home-lab experiment: resonance and sound speed using telescopic vacuum cleaner pipes. Martín Monteiro et al. Physics Education, Volume 58, Number 1; 7 November 2022. DOI:10.1088/1361-6552/ac9ae1