10 votos

¿Por qué debería un pistón móvil generan variación de la presión?

Supongamos que usted tiene un largo tubo lleno de aire, y un pistón se mueve de un lado a otro en forma periódica. ¿Por qué la presión de aire de las variaciones de ser creado cerca del extremo del pistón donde se oscilante ? (Estoy estudiando esto en el sonido en el capítulo principio y yo no podía entender esto)

El libro está reclamando algo como esto iba a suceder:

enter image description here

No tengo la intuición detrás de por qué sucede esto. Si el tubo es lo suficientemente largo, mi intuición me dice que no habría variación de la presión en todo, y además de empujar/jalar el émbolo no requieren ningún tipo de fuerza. Es mi intuición incorrecta ?

9voto

DaveJay Puntos 11

Recuerda lo que hace que la presión.

En un gas ideal, la presión está dada por:

$P = \dfrac{N R T}{V}$

Donde $N$ es el número de partículas (átomos o moléculas, por ejemplo), $T$ la temperatura, $V$ el volumen y $R$ el ideal constante de los gases.

Ahora mira a tu sketch que he modificado un poco:

enter image description here

Observe cómo el gas que inicialmente estaba contenida en un volumen $V_1$ se encuentra ahora en un volumen $V_2 < V_1$ como resultado del movimiento del pistón.

Como el pistón se mueve y empuja a las partículas hacia adelante, el número de partículas $N$ permanece igual, pero el volumen disminuye, por lo tanto aumenta la presión local.

Inversamente, a medida que el pistón se mueve hacia atrás partículas se expanden rápidamente en el nuevo espacio disponible. Así, el local de la densidad de $n = \dfrac{N}{V}$ disminuye, por lo tanto el local de la presión disminuye.

Ahora vamos a aclarar algunos puntos que han estado preguntando:

1) Si el tubo es lo suficientemente largo, mi intuición me dice que no habría variación de la presión en todo?

La longitud del tubo no tiene nada que ver con el hecho de que, localmente, una perturbación de la presión se crea como resultado del movimiento del pistón.

Tienes razón cuando implica que una pequeña variación de volumen $\Delta V$ sobre un gran volumen de $V_{tot} \gg \Delta V$ sólo crearía una pequeña variación de la presión de $\Delta P$ sobre la totalidad del tubo, una vez que ha alcanzado su nuevo equilibrio. Sin embargo, estamos interesados aquí en lo que sucede localmente, en el pequeño volumen justo al lado del pistón. Estamos interesados en la dinámica de los fluidos, que se han de distinguir con lo que sería una casiestática evolución del gas dentro del tubo.

Su intuición sería cierto si la presión de la perturbación fue viajar a una velocidad infinita, que no es el caso (debido a la fricción, la inercia, etc...). De hecho, se desplaza con una velocidad igual a la velocidad del sonido.

2) ¿por Qué las partículas de los gases no se están alejando de su posición original, sino que oscila en su posición original?

Las partículas de los gases están tratando de alejarse, pero como son desplazadas se encuentran con sus vecinos directos, lo que les impide seguir ampliando. Como consecuencia de que sólo se puede comunicar que la perturbación de la presión a la siguiente losa de gas, y así sucesivamente.

3) ¿por Qué el" cambio de presión de la onda de" propagar a través del tubo en lugar de permanecer en la posición original?

Como se puede inferir a partir de 2), la presión de la perturbación de la presión que se propaga a lo largo del tubo como losas adyacentes de gas están comunicando que la sobrepresión a cada uno de los otros. Que todas las ondas acústicas se acerca.

6voto

ChrisA Puntos 219

En este caso, el libro es correcto y su intuición no lo es. Esto puede ser útil:

El aire en la vecindad de la cara de los pistones tiene tanto de cumplimiento (es elástico) y la inercia (que tiene masa). Cuando el pistón avances en el tubo y se presiona contra el aire, la inercia hace que se resisten a ser accellerated, mientras que al mismo tiempo de su cumplimiento hace que se comprima ligeramente. Como el pistón continúa de prensa, el aire que con el tiempo se pone en movimiento, y adquiere impulso en la misma dirección como el pistón, la velocidad en adición a la experiencia de más de compresión.

Además de estar en comunicación con el pistón, la parcela de aire junto a él también está conectado a la parcela de aire inmediatamente adyacente a ella en el otro lado. Que el paquete de aire a su vez comienza a experimentar un empujón de la fuerza de la otra y también se comprime, y puesto en movimiento.

Este proceso continúa todo el camino hacia abajo por el tubo, lejos del movimiento del pistón, y la zona con poco de aire comprimido viaja fuera en sus el propios como una ola.

2voto

derjur Puntos 101

Si el tubo es lo suficientemente largo, mi intuición me dice que no habría variación de la presión en todo, y además de empujar/jalar el émbolo no requieren ningún tipo de fuerza. Es mi intuición incorrecta ?

Creo que tu problema es tu intution es tomar una suposición de estática o esencialmente estático escenarios y tratando de aplicarlo a un altamente dinámico en el escenario.

En una estática libre de gravedad escenario con un modelo ideal de líquido de la presión es igual en todas partes dentro de su contenedor. En muchos escenarios del mundo real es una aproximación válida para suponer que la presión es igual en todas partes en un contenedor.

Pero eso no significa que sea una verdad universal que la presión es igual en todas partes en un contenedor. Se necesita fuerza para acelerar algo y en un fluido que se traduce en una presión de gradiant.

La acústica es todo acerca de ir más allá de la suposición de que la presión es igual en todas partes y el estudio de la propagación de ondas de presión en los fluidos.

1voto

ash108 Puntos 226

Independientemente de la longitud del tubo, usted todavía tiene que mover algunas moléculas de aire. Que requiere de la fuerza. De repente la presión (fuerza por unidad de área) es tanto más grande en la primera de las moléculas que en otras moléculas, simplemente porque ahora añadir presión a ellos.

Ellos mismos se mueven. Y de pronto se acercan a sus vecinos. Y los golpeó y ejercer la fuerza sobre ellos. La presión ahora está puesto en aquellos segunda capa de moléculas. Esto continúa y es de esta forma que la presión se propaga.

Al mismo tiempo, el pistón es empujado hacia atrás como la ilustración de muestra. Esto crea un vacío que succiona las moléculas de vuelta de nuevo. Así se mueve hacia atrás y adelante todo el tiempo por la presión y vacío (presión negativa) constantemente en lo que la frecuencia de los movimientos del pistón.

1voto

Ward9250 Puntos 115

Para entender esto sin demasiada teoría matemática, empezar desde el hecho de que la velocidad del sonido en el aire es finito. Que es fácil de demostrar prácticamente - por ejemplo, si ves una explosión ocurrir desde una larga distancia, usted ve que sucede antes de oír la explosión, debido a la velocidad de la luz es mucho más rápido que la velocidad del sonido en el aire.

Cuando el pistón se mueve, empuja las moléculas de aire que están a su lado. El "empuje" que no viaja por el tubo de forma instantánea, pero a la velocidad del sonido. Un sonido en el medio de la cancha rango que los seres humanos pueden escuchar tiene una frecuencia de decir entre 100 y 1000 vibraciones por segundo, por lo que el "empuje" que viaja bastante corta distancia por el tubo (del orden de 1 metro) antes de que el pistón ha cambiado de dirección y ahora está "tirando" en el aire cerca de ella.

Esto provoca un patrón regular de alta y baja presión regiones viajar de la trompa a la velocidad del sonido, como se muestra en la imagen.

Para las frecuencias más bajas que los seres humanos pueden "escuchar" (como opuesto a "sentir" si la amplitud es lo suficientemente alto) - es decir 20 Hz - la distancia entre los picos de presión sería de unos 17 metros, por lo que tendría un tubo tal vez de 50 metros de largo para obtener el patrón de alta y baja presión. Pero si el tubo era lo suficientemente largo, los cambios de presión sería como se muestra en la animación.

Usted puede demostrar un efecto similar al que ocurre lentamente, lo suficiente para ver lo que está pasando. Conseguir un par de metros de cuerda, ata un extremo a algo y sostenga el otro extremo de modo que la cuerda está fuera de la tierra pero no tensa. Si un tirón de la cuerda de lado una vez, verá un "pulso" de la "ola" de viaje a lo largo de la cuerda hasta el otro extremo. Si agita la cuerda de forma continua, se hacen una serie de "ondas" viaje a lo largo de ella.

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X