Cubeta de Ondas

Universidad Distrital francisco José de Caldas – Física – Física III: Ondas y Física Moderna

INFORME DE LABORATORIO PULSOS EN UNA CUBETA DE ONDAS FÍSICA III INFORME DE LABORATORIO 7 Presentado por: Sebastián Molina Camacho Diana Molano Torres Andrea Grandas Mendoza Paola Badillo Peñuela Alejandro Lugo Jaramillo

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RESUMEN

INTRODUCCIÓN En la naturaleza existen fenómenos tan importantes como la luz y el sonido los cuales se propagan por medio de ondas, lo cual hace que el estudio del movimiento ondulatorio sea de gran interés y relevancia. Las ondas implican transporte de energía pura mediante deformación o cambio de propiedades del medio, Hay algunas ondas que se propagan en medios materiales como el sonido, las ondas símicas, las ondas del mar que corresponden a vibraciones mecánicas de un medio material, otras ondas se propagan en un medio con propiedades

físicas, las cuales corresponden a ondas de naturaleza electromagnéticas como lo son la luz, las ondas de radio, los rayos x, la radiación ultravioleta, la radiación infrarroja. En esta experiencia de laboratorio la cubeta como dispositivo experimental nos permitirá mostrar, observar, y estudiar el comportamiento de las ondas, con la cual se obtendrán resultados del fenómeno de la propagación de las ondas superficiales en un líquido (el agua).

OBJETIVOS Objetivo General El objetivo de la práctica consiste en observar algunos fenómenos ondulatorios que ocurren en la naturaleza para analizar el comportamiento de las ondas que se generan en un medio disperso (agua) y observar el cambio que sufren al chocar con diferentes obstáculos.

Objetivos específicos

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Universidad Distrital francisco José de Caldas – Física III: Ondas y Física Moderna

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Analizar el comportamiento del pulso de onda, en cuanto a reflexión dirección y velocidad. Diferenciar las formas de los diferentes pulsos generados. Describir el fenómeno de reflexión de ondas por cada obstáculo.

Velocidad de propagación (v): es la velocidad a la que se propaga el movimiento ondulatorio. Su valor es el cociente de la longitud de onda y su período.

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MARCO TEÓRICO Ondas: Las ondas son perturbaciones que transportan energía de un lugar a otro del espacio.

Ondas mecánicas: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (liquido como el agua) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. La velocidad puede ser afectada por algunas características del medio como: la homogeneidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura.

Algunos elementos de la onda Amplitud( A): La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Frecuencia( f): Número de veces que es repetida dicha vibración por unidad de tiempo. En otras palabras, es una simple repetición de valores por un período determinado.

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Longitud de onda( λ): Es la distancia que hay entre el mismo punto de dos ondulaciones consecutivas, o la distancia entre dos crestas consecutivas. Nodo: Es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

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Siendo T periodo.

Pulso: Perturbación de corta duración generada en el estado natural de un punto de un medio material que se transmite por dicho medio.

Cubeta de ondas La cubeta de ondas es un dispositivo empleado en experimentos relacionados con la propagación de ondas en un medio líquido como el agua. La base del dispositivo es un contenedor rectangular en cuyo fondo se sitúa un espejo. En un extremo se encuentra una barra conectada por un brazo a un motor eléctrico que provoca que la barra realice un movimiento vertical constante. Es posible cambiar la frecuencia del motor para que la velocidad de la barra se modifique. El contenedor se rellena con el líquido. Sobre todo el conjunto se encuentra un emisor de luz cuyo reflejo, en virtud del espejo, se puede ver en una pantalla sobre la cubeta. Para completar los utensilios a emplear en las experiencias, se utilizarán barra metálica plana recta, cóncava y otros obstáculos que se colocarán sobre la superficie del espejo los cuales actuarán como "espejos" donde las ondas se reflejarán. Componentes de la cubeta de ondas

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En la reflexión hay tres elementos: rayo incidente, línea normal o perpendicular a la superficie y rayo reflejado. Se llama ángulo de incidencia al que forma la normal con el rayo incidente y ángulo de reflexión al formado por la normal y el rayo reflejado. Las leyes de la reflexión dicen que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión y que el rayo incidente, reflejado y la normal están en el mismo plano.

En la cubeta de ondas, Las imágenes se proyectan sobre una pantalla translúcida integrada en la cubeta o bien sobre una pared. En uno de los experimentos se analiza la ecuación     en donde  es la velocidad de propagación,  la frecuencia de vibración y  la longitud de onda. Se toman medidas de  para diferentes frecuencias y de dicha gráfica se calcula la velocidad de propagación . En otro experimento se estudia la variación de la longitud de onda (y de la velocidad) en función de la profundidad del agua.

Fenómenos ondulatorios

Refracción de las ondas La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda.

Reflexión de las ondas Se denomina reflexión de una onda al cambio de dirección que experimenta ésta cuando choca contra una superficie lisa y pulimentada sin cambiar de medio de propagación. Si la reflexión se produce sobre una superficie rugosa, la onda se refleja en todas direcciones y se llama difusión.

Leyes

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Un rayo se refracta (cambia de dirección) cuando pasa de un medio a otro en el que viaja con distinta velocidad. En la refracción se cumplen las siguientes leyes: 1.- El rayo incidente, el rayo refractado y la normal están en un mismo plano. 2.- Se cumple la ley de Snell:

  

   

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y teniendo en cuenta los valores de los índices de refracción resulta:

   Cuando la luz se refracta cambia de dirección porque se propaga con distinta velocidad en el nuevo medio. Como la frecuencia de la vibración no varía al pasar de un medio a otro, lo que cambia es la longitud de onda de la luz como consecuencia del cambio de velocidad.

Interferencias delas ondas

Difracción de las ondas La difracción es un fenómeno característico de las ondas que consiste en la dispersión y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstáculo. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser debe finalmente divergir en un rayo más amplio a una distancia suficiente del emisor.

Se denomina interferencia a la superposición o suma de dos o más ondas. Dependiendo fundamentalmente de las longitudes de onda, amplitudes y de la distancia relativa entre las mismas se distinguen dos tipos de interferencias: Constructiva: se produce cuando las ondas chocan o se superponen en fases, obteniendo una onda resultante de mayor amplitud que las ondas iníciales. Destructiva: es la superposición de ondas en antifase, obteniendo una onda resultante de menor amplitud que las ondas iníciales.

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ARREGLO EXPERIMENTAL Se instalo la cubeta de ondas y se lleno con agua aproximadamente a una profundidad de 3/4 cm nivelado.

Parte A 

Se toco el agua con la punta del dedo.

Parte B 

Se generaron pulsos en el tanque de ondulación con la varilla larga de revolución.

Parte C Obstáculos Barrera recta 



Se pone como obstáculo una barrera recta y se generaron pulsos en el tanque con un ángulo de incidencia de 0 grados. Con la misma barrera recta se generan pulsos con diferente grado de incidencia.

En forma de parábola 

Se pone un obstáculo en forma de parábola, convexo y cóncavo para observar el comportamiento de los pulsos rectos.

Parte D 

Se generan pulsos circulares originados en el foco de la parábola con el motor de la cubeta de ondas.

Parte E  

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Se colocan dos obstáculos, barras en la superficie y se generan pulsos. Se pone como obstáculo una barrera recta y se generaron pulsos en el tanque con un ángulo de incidencia de 0 grados. Se pone un obstáculo en forma de parábola, convexo y cóncavo para observar el comportamiento de los pulsos rectos.

Parte D 

Se generan pulsos circulares originados en el foco de la parábola con el motor de la cubeta de ondas.

Parte E 

Se colocan dos obstáculos, barras en la superficie y se generan pulsos.

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MATERIALES  

Cubeta ondas Obstáculos

RESULTADOS Y ANÁLISIS Parte A 1. ¿Cuál es la forma del pulso que se ven en la pantalla? En el momento que golpeamos una vez la superficie del agua con el dedo, es fácil darse cuenta que en este caso, se produce una alteración en la superficie del agua, la que se propaga alejándose del punto en que se produjo la perturbación. Lo que se propaga en este caso no es el agua, sino que la perturbación, esta perturbación es energía. La forma del pulso que se ve en la pantalla es circular, estas ondas transversales son las que se producen en la superficie del agua (un lago o de un estanque). Entre las moléculas del agua se ejercen fuerzas intermoleculares de cohesión y la vibración vertical producida en un punto del agua se traslada por la superficie (horizontalmente) en todas las direcciones. La velocidad a la que se propagan las olas depende de la elasticidad del agua, determinada a su vez por propiedades como su composición, densidad, etc.

2. ¿Es la velocidad del pulso igual en todas las direcciones? La velocidad del pulso si es igual en todas las direcciones y al ser el agua muy poco profunda viajan a la misma velocidad; esta velocidad depende de muchos factores como 6


la densidad del agua, la profundidad, la temperatura y otros factores. La velocidad se puede determinar por medio de la siguiente ecuación:



 √ 

Donde D es igual a la densidad del líquido y X es su c ompresibilidad.

Conclusión: Al momento de golpear el agua en reposo vemos los frentes de ondas de forma circular que nacen en el lugar donde se impacto el agua, pero estos pulsos no arrastran el agua sobre la superficie, sino que producen una deformación o una oscilación la cual vuelve a su forma original después de pasar la onda.

Parte B 3. ¿Permanecen rectos los pulsos en su recorrido a lo largo del tanque? Al generar pulsos rectos con revolución en el agua con la varilla larga, parte fundamental de la cubeta, los pulsos permanecen rectos en el recorrido y paralelos a la varilla. Como se observa en la imagen.

Parte C Obstáculo barrera recta 4. ¿En qué dirección se reflejan? Con el ángulo de incidencia de 0 grados, Se reflejan verticalmente de la misma forma del obstáculo (barrera recta), ya que el tren de ondas choca con el obstáculo sin atravesarlo, La onda incide paralelamente al obstáculo, teniendo en cuenta la Teoría de Huygens, la dirección de propagación de las ondas es perpendicular al frente. Las ondas se reflejan con la misma dirección y velocidad pero en sentido contrario. Donde hay un valle se refleja como una cresta, como si la onda se prolongase a través del obstáculo y obtuviésemos su imagen especular. Como se observa en la imagen

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5. ¿Son rectos los pulsos reflejados? Ya que los pulsos se generaron con diferentes ángulos de incidencia, permanecen rectos pero en diferente dirección, debido al cambio de ángulo, el obstáculo es una superficie cuya normal forma un ángulo distinto de cero con la dirección de propagación .

6. ¿Qué relación existe entre el ángulo de reflexión y el de incidencia? 7. ¿Puede usted localizar la fuente virtual del pulso reflejado (la imagen de la fuente del pulso incidente)? ¿Cómo explicaría usted el resultado?

Obstáculo en forma de parábola 8


8. ¿Qué observa cuando se emplea este tubo como reflector de pulsos rectos en el tanque? 9. ¿Cómo indicaría la dirección del movimiento de cada segmento? 10. ¿Son paralelos entre si los rayos que representan la dirección inicial del pulso?

Parte D Pulsos circulares 11. ¿Cuál es la forma del pulso reflejado?

Parte E 12. ¿Cuál es el comportamiento de los pulsos con dos obstáculos en la superficie? 13. • ¿Qué relación hay entre la longitud de onda aparente y la verdader a de las ondas en el agua?

CONCLUSIONES 

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Cada onda genera un rayo que se refleja al chocar y la variación de la dirección del pulso depende del ángulo con el que se generan y de la posición del obstáculo. En la propagación de perturbación en el agua, las partículas no se desplazan si no que vibran en su posición de equilibrio

BIBLIOGRAFÍA 1. A.P. French.,Vibraciones y ondas,Editorial Reverte, S.A. 2. Zemansky, S y Freedman, Y., Física universitaria, vol. I , Editorial Pearson Educación 11ra edición (2004) 3. Alba, Flor V., Laboratorio de Oscilaciones y Ondas. Universidad de Pamplona 4. Alonso, M. y Finn, E. J., Física, vol. I y II , Edición Revisada y Aumentada, Fondo EducativoInteramericano, 1967, Reimpresión 1998 5.

Crawford, Jr., Ondas, Berkeley PhysicsCourse. Editorial Reverte, (1977).

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