Permítanme primero enumerar todas las posibilidades que consideré y luego rechacé. Esto está lejos de ser exhaustivo, y espero ver la creatividad de otras personas.

malas ideas

• Siéntese en un columpio de neumáticos con el ventilador apuntando hacia un lado. Apunte el ventilador hacia arriba, mida la velocidad de rotación del sistema en el giro del neumático.
• Consigue una linterna láser o colimada. Apúntalo hacia el ventilador en un solo punto. En una pared al otro lado del ventilador, tendrá un punto de luz que parpadea, medir la velocidad del parpadeo podría ser un problema más fácil.
• Coloque resortes en la punta de todas las cuchillas. Observe cuánto los deforma la aceleración, aplique la Ley de Hooke para encontrar la aceleración, convierta a velocidad angular.

Ahora, estoy casi seguro de que el experimentador no tiene las herramientas para ejecutar ninguno de estos métodos muy bien. Ni siquiera uno. Trataré de desglosar esto en cuanto a por qué.

En primer lugar, ¿sabemos el momento de inercia del ventilador? No. ¿Sabemos el momento de inercia del giro del neumático con una persona y un ventilador encima? No. ¿Es incluso constante? No. No digo que no podamos resolver estas cosas, pero es un método absurdamente inferior que obtendrá datos terribles.

En el método láser. ¿Cómo vamos a medir la velocidad de destello del láser? Pensé interminablemente en este problema. En general, una referencia sería buena, o si pudiera usar la electrónica, podría precisar la velocidad casi exactamente y con mucha facilidad. Pero no creo que haya nada disponible que funcione.

Ahora, la idea de la primavera... ¿por dónde empezar? La medición de la longitud de deformación es propensa a errores. El peso de los mismos resortes afectará la velocidad del ventilador. ¿Qué resorte tienes con las características adecuadas de todos modos?

mi mejor propuesta

Espero que puedas quitar la tapa. Si no puede quitar la cubierta, espero que pueda quitar una parte de ella, para que pueda obtener un eje que sobresalga. Creo que la mejor manera de hacer esta medida con cosas del hogar sería:

• Obtener una parte del eje aislado
• Pegue con cinta adhesiva o adjunte el extremo de una cuerda delgada.
• Enciende el ventilador con un cronómetro
• Mida el tiempo que tarda el ventilador en envolver completamente toda la cuerda alrededor del eje con un cronómetro
• Cuente el número de veces que la cuerda se ha enrollado alrededor del eje.

Ahí lo tienes, tienes una cantidad de turnos por cierto período de tiempo. Idealmente, usaría una cuerda muy liviana que ofreciera poca o ninguna resistencia cuando se jala, como si la dejara suelta en el piso. El hilo de pescar podría ser muy bueno. Querrá que el tiempo de aceleración sea pequeño en comparación con el tiempo total medido.

Algunas otras posibilidades (no terribles)

Se me ocurrió que los métodos acústicos podrían tener algún mérito aquí. Consigue algo contra lo que las aspas puedan golpear, como cuando tomas un lápiz y lo metes en el ventilador. Abra la grabadora de sonido de Windows (accesorios -> entretenimiento -> grabadora de sonido), o un programa como Audacity. Use algún programa de edición de sonido y amplíe el sonido con mucha precisión. Vea si puede identificar una forma periódica que corresponda a un solo golpe. Cuente los picos durante un período de tiempo determinado. Una vez más, tiene el número de rotaciones (o 1/3 de rotaciones) por unidad de tiempo. Si ya tiene una suposición informada sobre la frecuencia, entonces identificar el patrón acústico de los golpes individuales podría no ser muy malo, sin mencionar que hay mucha flexibilidad de diseño en este experimento y las computadoras deberían tener una frecuencia de muestreo suficientemente alta.

Creo que lo ideal sería algún tipo de mecanismo de sincronización visual como sugiere el OP. Me imagino que una referencia mecánica podría ser útil. Por ejemplo, si tuviera otro ventilador del que supiera la velocidad, podría colocarlo frente al ventilador desconocido y ajustar su velocidad hasta que viera algunos patrones que indicaran que estaban sincronizados. Sí, me falta mucho de lo que se requiere para hacer esto de manera efectiva, pero tal vez alguien más pueda ofrecer un mejor consejo.

El experimento

La mitad de los papeles en mi escritorio se volaron. Estoy recibiendo quejas sobre el sonido horrible de la pluma en las aspas del ventilador, y la gente en mi oficina no está muy contenta conmigo en este momento. ¡Pero todo esto es en nombre de la física! Estoy editando para presentar mis resultados experimentales. Usé el método acústico para determinar la velocidad de mi ventilador.

En primer lugar, mi aparato experimental es el ventilador Galaxy modelo 4733 de 20 pulgadas. Tiene 5 cuchillas. No puedo encontrar ningún resultado de compra para ti, pero tal vez alguien más pueda. Aquí hay una demostración de muy buena calidad del ventilador Galaxy 20" en YouTube. Y este video dice específicamente que tienen el modelo 4733 que estoy usando. ¿Por qué la gente sube videos de YouTube de estas cosas? Tienes que "desempaquetar" cada cosa que compras??

Bien, sigue adelante. Estoy usando el programa Audicity y el micrófono de un auricular Microsoft Lifechat.

El ventilador tiene 3 configuraciones, más 0 para apagado. El ajuste 1 es el más lento y el ajuste 3 es el más alto. Produce una brisa bastante buena y me ha servido bien. Para comenzar, compartiré una forma de onda que grabé con él en la configuración 3 y la configuración 1 conmigo sin hacer nada más.

Como puede ver, esto no es demasiado útil. Hace un sonido, pero no hay forma de distinguir los picos. Tal vez tenga una frecuencia que refleje la velocidad del ventilador, pero no puedo estar seguro (y no he tenido mucha suerte con las visualizaciones del espectro). Puede ver cómo el sonido que hace es diferente entre los dos, y la tercera configuración es obviamente más fuerte, y la frecuencia es obviamente diferente, pero queremos números reales.

Así que le puse un bolígrafo de plástico (la culata del bolígrafo). Ahora, es posible que no quieras probar esto en casa (como acabo de hacer), pero tuve que jugar con el ángulo para que no se pierdan las cuchillas. Es muy fácil que salte y pierda uno, lo que arruinaría el conteo. Tuve que presionar un poco fuerte y era bastante fuerte. Pero obtuve resultados. Aquí están las formas de onda durante 0,5 segundos y mi marcado para contar los "golpes". También proporciono el recuento real en la imagen.

Puede consultar mi trabajo para el recuento en sí. También estoy feliz de subir algunos archivos mp3, pero no estoy seguro de dónde los alojaré en este momento. La imagen de arriba se hizo con el software de investigación de alta tecnología MS Paint. daré la respuesta denotada$rpm_i$, dónde$i$es el número de la configuración, y el número de visitas anteriores se denotará$hits$. Tomaré el error en cada recuento de visitas como$\pm 1$pegar. La fórmula y los resultados informados son los siguientes. Recuerda, tiene 5 cuchillas.

$$rpm_i = \left( hits_i \pm 1 \right) \times \frac{turn}{5 hits} \times \frac{1}{0.5 s} \times \frac{60 s}{min}$$

$$rpm_1 = 456 \pm 24 rpm$$ $$rpm_2 = 624 \pm 24 rpm$$ $$rpm_3 = 864 \pm 24 rpm$$

Consumo de energía (anexo)

Usé mi dispositivo KILL A WATT para registrar el consumo de energía para todas las diferentes configuraciones de velocidad. Denotaré esto con$P_i$pero necesito explicar un poco la dificultad de hacer esta medida. Creo que mi KILL A WATT es bastante confiable y brinda mediciones de energía estables para dispositivos con consumo de energía constante. Esto no es del todo cierto para el ventilador. Cuando enciendo el ventilador por primera vez, consume más energía que después de dejarlo funcionando durante algún tiempo. El columpio más grande que observé fue$50.5 W$al máximo y$45.3 W$como mínimo para la configuración 1. Esto le da otra posible fuente de error. Dado que el experimento se realizó con el ventilador encendido durante un buen rato, informaré las lecturas más bajas que tengo.

$$P_0 = 0 W$$ $$P_1 = 45.3 W$$ $$P_2 = 65.1 W$$ $$P_3 = 97.1 W$$

Ahora, quiero tomarme un breve segundo para aplicar aquí los conceptos físicos de fricción. La fricción dinámica entre dos cuerpos sólidos a menudo se toma como una constante, y la fricción de fluidos a menudo se toma como una ley de potencia, como en,$v^n$dónde$n$es más comúnmente de 1 (totalmente laminar) a 2. ¡Podemos aplicar eso aquí! Convertí las velocidades anteriores a rad/s y tracé la velocidad versus el consumo de energía para las 3 configuraciones de "encendido". Luego, adiviné una cierta compensación y resté este valor del consumo de energía y apliqué un ajuste de energía a lo que quedaba. Después de hacer esto, me di cuenta de que un consumo de energía constante no se correlaciona con una fuerza constante (que sería lineal), por lo que realmente estoy asumiendo un consumo de energía base para el dispositivo, y esto produce un ajuste de energía más perfecto para lo que es dejado solo por la mecánica del motor. Descubrí que podía obtener un mejor ajuste de potencia haciendo esta resta. El ajuste de poder tenía$R^2=1.0000$para un desplazamiento constante de$8 W$todo el camino hasta$13 W$así que tomé el término medio de$10.5 W$, es decir, hice una suposición educada de que una pérdida de energía constante explica$10.5 W$de la potencia consumida. El ajuste de potencia sigue una satisfactoria$1.5$ley de potencia, que es más o menos lo que espero para la fricción de fluidos.

$$P_i = 10.5 W + 0.1343 \omega_i^{1.4374} W$$

Por último, quiero informar la intensidad general del sonido en mis archivos mp3. Necesito poner un descargo de responsabilidad con esto que podría no ser exacto en ningún sentido físico. Me gustaría preguntarle a un ingeniero de audio sobre este problema. No sé si los dB de un archivo de audio representan los dB físicos del sonido en el punto en que se realizó la medición. Supongo que esto dependerá del dispositivo de grabación. De todos modos, quiero dar una medida de dB (lo denotaré$A$) para el pico promedio de golpes del bolígrafo en la hoja del ventilador, según el archivo de audio.

$$A_1 = -8 dB$$ $$A_2 = 0 dB$$ $$A_3 = -3 dB$$

¿Tenía el micrófono en diferentes lugares cuando tomé estas medidas? Sí, lo hice. Si tuviera que adivinar, diría que lo tenía a unas 3-4 pulgadas del punto de contacto del bolígrafo cuando hice la configuración 1 y 2 y más cerca de 7-8 pulgadas cuando hice la tercera configuración. Obviamente, la tercera configuración fue más fuerte para mi oído, y tuve que bajar los auriculares cuando tomé esa medida porque sostener ambos se estaba volviendo difícil.

Ofrezco estos datos porque con mis estimaciones podría calcular potencialmente la energía liberada en la onda de sonido en un golpe (asumiendo que la medida de dB es una medida 'real'). Luego, con una eficiencia de conversión (de mecánica a sonido), estime la energía disipada en un golpe. También podría tomar algunos valores genéricos para la eficiencia del motor del ventilador para relacionar el consumo de energía con las fuerzas de fricción. Luego, podría usar una forma matemática adaptada para el consumo de energía (como la anterior) para las pérdidas por fricción y aplicar la tasa de disipación de energía de los golpes del bolígrafo y estimar la pérdida de velocidad debida al bolígrafo .. Es algo bueno a tener en cuenta para futuros experimentos, para que pueda demostrar que el proceso de medición no afecta demasiado lo que se mide. Con mi ventilador de 20" no creo que importe demasiado, pero repetir el experimento en un ventilador más pequeño podría beneficiarse de estos cálculos, y para hacerlo debes tener el micrófono ubicado en una posición fija para todas las mediciones (a diferencia de lo que hice).

Comentarios

Es posible que el contacto del lápiz haya ralentizado un poco el ventilador. De hecho, este es casi seguramente el caso, pero este es un ventilador bastante grande. También es un viejo fan. Esperaría que estas velocidades sean menores que las de alguien con una más nueva. He tomado medidas de potencia que podrían usarse para alguna otra investigación si lo desea. Un uso sería estimar el impacto que tiene la aplicación del lápiz sobre las aspas en la velocidad del ventilador. Ya intenté armar una imagen de dónde proviene la fricción y desarrollé una fórmula para el consumo de energía en función de la velocidad basada en un desglose entre la fricción estática y la fluida.

No soy ingeniero, pero así es como lo hago.

De acuerdo con sus reglas, podemos usar una computadora y Audacity.

Obtienes un par de auriculares. Enchufas los auriculares en el conector del micrófono de tu computadora. Abres Audacity. Obtienes un imán muy pequeño. Pegas el imán muy pequeño a una de las aspas del ventilador. Enciendes el ventilador. Sostienes uno de los auriculares cerca del imán mientras viaja. Los auriculares actúan como un micrófono, enviando una señal a la computadora, a Audacity. Cada vez que el imán pase por los auriculares, obtendrá un "golpe" en la pantalla. Observas la audacia y cuentas el número de golpes en 1 segundo. Anotas el número. Apagas el ventilador. Despegas el imán. Cierras Audacity. Guardas los auriculares. Vuelves a encender el ventilador. Apuntas el abanico a tu cara. Vuelves al trabajo.

Me gustaría ofrecer dos métodos.

1. Sabemos qué tan rápido giran varios motores eléctricos a voltajes/amperajes dados. Simplemente use un multímetro para medir el amperaje que se consume y haga los cálculos.
2. La mayoría de los ventiladores son oscilantes. Con la alimentación apagada y la función de oscilación encendida, haga girar manualmente las aspas y cuente cuántas vueltas del ventilador se necesitan para completar 1 oscilación (1/2 oscilación bastaría) de todo el aparato. Reemplace todo y mida el tiempo que tarda en ejecutarse para completar esta misma oscilación y haga los cálculos utilizando los resultados de la prueba manual.

Saludos cordiales.