Física do apito

Vamos considerar o tipo específico de apito mostrado na pergunta.

Quando soamos o apito, o ar é forçado a sair pela abertura estreita. O fluxo de ar no centro do fluxo é significativamente mais rápido do que o ar vizinho próximo ao fluxo principal. Se a corrente de ar for facilmente desviada (instável), vórtices são gerados. Se a mesma coisa acontecer repetidamente, muitos mais vórtices com propriedades semelhantes serão gerados. Esses vórtices fazem com que a pressão do ar varie de forma periódica, então a onda sonora é produzida. A frequência dessa onda sonora está relacionada à taxa na qual os vórtices são liberados. Como o processo é bastante caótico, muitas taxas ou frequências diferentes são produzidas ao mesmo tempo.

Como você pode ver na imagem, o fluxo é dividido em duas partes. Uma parte sai pela abertura e a outra parte fica dentro. As ondas sonoras presas no interior interferirão umas nas outras. Se a frequência do som não corresponder a nenhuma das frequências ressonantes da câmara, as ondas interferirão destrutivamente e desaparecerão rapidamente. No entanto, se a frequência corresponder à frequência ressonante da cavidade, a amplitude da onda aumentará com o tempo. A taxa de aumento diminuirá conforme a amplitude aumenta. Eventualmente, ele atingirá um estado estável. Nesse ponto, a amplitude da onda sonora é forte o suficiente para que o som se torne muito audível. A onda sonora sai do buraco, se dispersa fortemente e finalmente chega aos nossos ouvidos.

Alguns apitos têm uma pequena bola quicando dentro da cavidade. A bola muda a forma da cavidade e ao mesmo tempo as frequências de ressonância. Assim, podemos ouvir uma gama mais ampla de frequência de som.

Comentários

• ” Se o ar fluxo é facilmente desviado (instável), vórtices são gerados. Se a mesma coisa acontecer repetidamente, muitos mais vórtices com propriedades semelhantes serão gerados. Esses vórtices fazem com que a pressão do ar varie de forma periódica, então a onda sonora é produzida. ” +1; Esta é a parte principal que ‘ estou perguntando. Você pode esclarecer como isso acontece para uma resposta aceita? Isso está relacionado à liberação de vórtices? Não consigo ‘ imaginar exatamente como uma mudança periódica é configurada.
• Sim, é uma espécie de liberação de vórtice. Talvez seja isso que você está procurando? www2.ibp.fraunhofer.de/akustik/ma/pipesound/animEdgeTone.mpeg
• Esse link agora está quebrado; ainda podem ser encontradas fotos aqui . Você sabe onde está o vídeo?
• Essa era a explicação geralmente aceita antes que fosse possível medir o comportamento do sistema de produção de som em detalhes suficientes, mas consulte newt.phys.unsw.edu.au/music/people/publications/… para um tratamento matemático da explicação atual – ou leia minha resposta abaixo para uma versão não matemática.
• É possível medir a velocidade do fluxo dentro do apito com o microfone?

Essas coisas geralmente funcionam por feedback que causa mudanças de pressão, que então faz com que o fluxo original seja redirecionado, o que tem o efeito oposto sobre a pressão, etc.

Isso é mais simples de se pensar quando se considera um apito comum, como costumam fazer os técnicos e árbitros. A parte que você sopra tem uma fenda fina, que faz uma lâmina laminar de ar soprar através de uma abertura, mas que continua na parte redonda. No entanto, não há outra abertura na parte redonda, então eventualmente a pressão aumenta e esta pressão “quebra” a folha laminar que meio que “cobre” a abertura. Isso permite que a pressão seja liberada pela abertura, que também redireciona o ar do bico para não entrar na parte redonda. A pressão no apito então cai, a folha laminar pode reformar ou retomar seu fluxo original não redirecionado, o que faz com que a pressão se acumule novamente, etc.

A bola dentro do apito não é necessário para fazer o som. Ele interrompe periodicamente o processo acima, modulando efetivamente a frequência do apito em uma frequência muito mais baixa.Não sei exatamente por que isso é feito, mas acho que o som com a bola é mais interessante ou chama a atenção ou mais fácil para humanos localizarem.

Comentários

• Acho que já sabia disso, mas tinha esquecido. Obrigado por me lembrar. Não é ‘ o tipo de apito que eu estava perguntando especificamente, mas +1 por ajudar!

Tem havido uma confusão sem fim sobre como esse tipo de apito realmente funciona. Se você investigar o padrão de fluxo, verá o tipo de padrões de vórtice em sua imagem, mas isso não significa necessariamente que os vórtices causam o som. Na verdade, o inverso é verdadeiro – o som causa os vórtices!

A explicação básica (que também se aplica a tubos de órgão e instrumentos musicais como o apito e flauta doce) depende do princípio de Bernouilli. É mais simples pensar em fazer um som soprando sobre a extremidade aberta de uma garrafa, porque a parte do “tubo” do apito é realmente igual à da garrafa dobrada 90 graus. O importante não é que você sopre “dentro do cano”, mas que você sopre “através do orifício na extremidade do cano”.

Quando você sopra em uma garrafa, a pressão no ar em movimento o fluxo é diminuído, e algum ar é “sugado” da garrafa para o fluxo de ar de baixa pressão.

No entanto, o ar extra que se funde com a corrente de ar desvia a corrente de ar da boca da garrafa, o que reduz a quantidade de “sucção”.

O ar dentro a garrafa tem uma frequência natural de vibração, que depende do tamanho e da forma da garrafa. Essa vibração é estimulada pela mudança repentina de pressão na boca da garrafa e, após meio ciclo de vibração, ela suga um pouco de ar de volta para a garrafa. Isso puxa o fluxo de ar que você está soprando através da garrafa de volta para a boca da garrafa, e o ciclo se repete.

O parâmetro crítico aqui é o tempo que leva para o fluxo de ar soprado atravessar a boca da garrafa , em comparação com o tempo de um ciclo de vibração do ar dentro da garrafa. Se os dois intervalos de tempo tiverem a relação correta, as oscilações podem aumentar em amplitude. Isso explica por que, se você soprar suavemente (baixa velocidade), não produzirá nenhum som, e se soprar gradualmente com mais força, de repente o som começa. Dependendo da geometria de todo o sistema, se você soprar com muita força, o som pode “pular” para uma frequência diferente mais alta. Na verdade, é possível ajustar um tubo de órgão para que ele produza sucessivamente um som com 3 ou 4 tons diferentes, dependendo da pressão do vento (e, portanto, da velocidade do ar) usada para soprá-lo.

Os vórtices são simplesmente subprodutos do fluxo de ar oscilante que atinge a borda da boca da garrafa.

As explicações “erradas” partem da observação correta de que simplesmente soprar um jato de ar por um bico pode produzir um padrão de vórtices, que podem se repetir com uma frequência definida. Mas para a geometria e a pressão de sopro de um apito típico, a frequência desse padrão de vórtice (se é que existe) é muito diferente da frequência do som produzido pelo apito, e é difícil inventar uma boa razão para os vórtices devem causar o som.

O ar em uma câmara ressoa como uma mola: Tem massa e salta para trás quando comprimido ou descomprimido. Quando o ar é soprado através da abertura e ligeiramente para baixo, empurra o ar para dentro & causa uma perturbação que fará com que o ar para dentro para começar a ressoar. À medida que ressoa para baixo, ele desvia o fluxo de ar para dentro da abertura, empurrando o ar para baixo ainda mais. À medida que o ar interno volta, ele desvia o fluxo de ar para cima, de forma que não está mais empurrando para baixo. Ele também arrasta o ar de dentro para fora pelo efeito Bernoulli, ajudando a puxar o ar de dentro para cima. Quaisquer vórtices formados são acidentais.