Revista Colombiana de Física, Semestre II, Año 2013

1 CUBETA DE ONDAS

Oscar Julian Rodriguez1 Sebastian Estupiñan 2

1, Ingenieria Ambiental,2 Ingenieria Electrica Universidad de La Salle

Resumen

Nosotros experimentamos a diario a las ondas, por ejemplo el radio es un medio de comunicación que envía señales de audio a través de ondas de radio. Envía transmisión de señales a través de las ondas electromagnéticas que se propagan en el aire. La onda suele ser en parte reflejada y en parte transmitida al segundo medio. Las direcciones de los haces de luz incidente, reflejado y refractado se expresan en función de los ángulos que forman con la normal a la superficie en el punto de incidencia. El montaje del experimento de cubeta de ondas consistía en una cubeta de agua con una profundidad de aproximadamente ½ a ¾ cm, con el tanque bien nivelado y la disposición de una lámpara de tal forma que se obtuviera el mayor campo visual de la superficie del agua sobre la superficie del papel colocado sobre la mesa llamado pantalla. . Los objetivos del experimento de la cubeta de ondas se basa esencialmente en observar la generación y propagación de los pulsos y ondas periódicas en la superficie del agua. Palabras claves: Ondas, Reflexión, Refracción, Incidencia.

AbstractWe experience daily the waves, such as radio is a medium that sends audio signals through radio waves. Send signal transmission via electromagnetic waves that propagate-cies in the air. The wave is usually partly reflected and partly transmitted to the second medium. The directions of incident light beams reflected and refracted are expressed in terms of the angles formed with the normal to the surface at the point of incidence. The experimental setup for on-das tray consisting of a tray of water with a depth of about ½ to ¾ inch, with good leveling tank and disposing a lamp so that the larger field of the surface was obtained water on the surface of paper placed on the table called screen. . The objectives of the experimen-to the wave trough is essentially based on observing the generation and propagation of the pulses and periodic waves on water surface.

        Keywords: Waves, Reflection, Refraction, Incidence..

1

Autor principal et al.: Titulo

1. IntroducciónUna onda es cualquier perturbación de una condición de equilibrio que se mueve o se propaga en el tiempo de una región a otra del espacio. Muchos ejemplos de onda existen en la vida cotidiana, y ejemplos de fenómenos ondulatorios pueden encontrarse en todas las ramas de la física. De hecho, el concepto de onda es uno de los elementos unificadores más importantes de toda la física.

Nosotros experimentamos a diario a las ondas, por ejemplo el radio es un medio de comunicación que envía señales de audio a través de ondas de radio. Envía transmisión de señales a través de las ondas electromagnéticas que se propagan en el aire. Una onda de radio se origina cuando una partícula cargada (un electrón) se excita a una frecuencia situada en la zona de radiofrecuencia del espectro electromagnético.

Las ondas producidas por el viento o por cualquier otra perturbación sobre la superficie de una masa de agua constituyen un espectáculo familiar. El sonido se transmite por medio de ondas que se propagan por la atmosfera interpuesta entre la fuente y el receptor. Muchas de las propiedades observadas de la luz se explican mejor por medio de una teoría ondulatoria, y las ondas luminosas son fundamentalmente de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas infrarrojas y ultravioletas, los rayos x y los rayos gamma.

Las ondas más fáciles de comprender son las ondas mecánicas, propagadas a través de un medio material cuando este se desplaza de su estado de equilibrio. Imaginemos un medio

constituido por gran número de partículas, cada una de ellas unida o acoplada a sus vecinas por una sustancia elástica. Si se perturba o se desplaza, por cualquier método, uno de los extremos del medio, el desplazamiento no se producirá de forma inmediata en el resto del mismo. El desplazamiento inicial da lugar a una fuerza elástica en la sustancia adyacente; a continuación se desplaza la partícula contigua, después la inmediata, y así sucesivamente. En otras palabras, el desplazamiento se propaga a través del medio con una velocidad definida. Los objetivos del experimento de la cubeta de ondas se basa esencialmente en observar la generación y propagación de los pulsos y ondas periódicas en la superficie del agua, con ello se verifica también la ley de la refracción, el fenómeno de la reflexión y la velocidad de propagación de las ondas; así como los fenómenos de interferencia y difracción, estableciendo sus características principales.

2. Marco teóricoEl tipo de movimiento ondulatorio más conocido es probablemente, el que se observa en una masa de agua y que está producido por el viento o por alguna otra perturbación. Sin embargo, las oscilaciones de las partículas de agua de estas ondas no se restringen a la superficie, si no que se extienden con amplitud decreciente hasta el fondo. Es más, las oscilaciones tienen tanto componente longitudinal como transversal. Al propagarse una onda a lo largo del canal, cada elemento del líquido se desplaza de su posición de equilibrio horizontal y verticalmente. La fuerza restauradora que actúa sobre el elemento se debe en parte a la diferencia de presión originada a las variaciones de profundidad entre

2

Autor principal et al.: Titulo

los puntos, y también en parte por los efectos de la tensión superficial debido a la curvatura de la superficie libre. Aquí, la velocidad no solo depende de las propiedades del medio, sino también la longitud de onda λ. Cuando esto sucede, se dice que el medio es dispersivo. Esta dependencia de la velocidad con la longitud de onda se presenta en muchos otros tipos de ondas. Por ejemplo, un prisma separa un haz paralelo de luz blanca en su espectro, emergiendo las distintas longitudes de onda en direcciones diferentes, debido a que el vidrio es un medio dispersivo para las ondas de luz. En general, las partículas del líquido se mueven describiendo elipses en planos verticales paralelos a la longitud del canal, con el eje mayor horizontal. Este movimiento puede considerarse como la superposición de dos oscilaciones armónicas simples de la misma frecuencia y diferente amplitud, una en la dirección horizontal y la otra en la vertical, y con una diferencia de fase de 90°. Por tanto la onda puede considerarse como la superposición de una onda longitudinal y de otra transversal desfasadas 90° y con amplitudes diferentes. Si la longitud de onda es tan pequeña o menor que la profundidad, ambas amplitudes son casi iguales en la superficie, y las partículas superficiales se mueven describiendo círculos. La amplitud de ambas componentes disminuye al aumentar la profundidad, pero la componente vertical disminuye más rápidamente que la horizontal. En el fondo, la componente vertical se hace cero y la oscilación es totalmente longitudinal. (1)

Muchos fenómenos ópticos conocidos implican el comportamiento de una onda que incide en la superficie que separa dos medios ópticos, como el aire y el vidrio o el agua y el vidrio

cuando la superficie de separación es suave, es decir, cuando sus irregularidades son pequeñas comparadas con la longitud de onda, la onda suele ser en parte reflejada y en parte transmitida al segundo medio. Las direcciones de los haces de luz incidente, reflejado y refractado se expresan en función de los ángulos que forman con la normal a la superficie en el punto de incidencia. (2)

Cuando un rayo luminoso incide sobre la superficie de separación entre dos medios transparentes homogéneos e isótropos, una parte del rayo incidente se refleja y se queda en el medio de dónde provino y la otra parte se transmite al otro medio.

El ángulo θ1 formado por el rayo incidente y la normal N a la superficie de separación en el punto de incidencia se denomina ángulo de incidencia; el ángulo formado por el rayo reflejado y la normal θ1' se denomina ángulo de reflexión (ver la figura 1). El rayo reflejado se encuentra en el mismo plano que el incidente y la normal en el punto de incidencia, pero por el lado opuesto a esta normal; el ángulo de reflexión θ1' es igual al ángulo de incidencia θ1:

θ1' = θ1,

Que es la expresión de la ley de reflexión:

Un rayo luminoso se refleja en la superficie plana formando un ángulo de reflexión igual al de incidencia. (3)

3

Autor principal et al.: Titulo

La ley de reflexión determina la dirección del rayo reflejado.

Fig.1

3. Montaje, procedimiento y tabla de datos

El montaje consistía en una cubeta de agua con una profundidad de aproximadamente ½ a ¾ cm, con el tanque bien nivelado y la disposición de una lámpara de tal forma que se obtuviera el mayor campo visual de la superficie del agua sobre la superficie del papel colocado sobre la mesa llamado pantalla. El laboratorio consistía en varios experimentos, el primero de ellos consistía en tocar un punto de la superficie del agua con el dedo o la punta de un lápiz y observar un pulso que se propaga, el siguiente

de ellos era mover hacia adelante y hacia atrás un madero rollizo que se da para la práctica y observar la forma de los pulsos generados, luego se colocó una barrera recta en la cubeta y se produjo un pulso circular y se localizó la fuente virtual del pulso reflejado(que está ubicada paralelamente a la misma distancia de la fuente que genera el pulso), a continuación se produjeron pulsos rectos de manera que se reflejaran en una barrera paralela a ellos, se tomó nota de lo observado y luego se procedió a cambiar la orientación para observar los pulsos incidente y reflejado, se dibujó en la pantalla los pulsos y la barrera para medir los ángulos que forman los pulsos con la barrera.Luego se dispuso de una barrera que tuviera forma aproximadamente parabólica y se generaron pulsos rectos y se observó cómo se reflejan y se determinó en la pantalla el foco de los pulsos reflejados y se hizo este mismo procedimiento con la generación de pulsos circulares. Después se dispuso a colocar en el fondo de la cubeta una lámina de plástico con transparencia y se verifico que el agua apenas cubriera la superficie superior y se generó frente de ondas rectas, se observó en la pantalla el modo como se propagaban las franjas sobre la lámina. Luego con la ayuda del estroboscopio se midió la longitud de onda y la frecuencia de las ondas cuya imagen se observaba en la pantalla y se “detuvo” el movimiento de los frentes de onda a través del estroboscopio; mientras se observaba se colocaron dos marcas cuyas posiciones correspondían a la separación entre dos franjas brillantes consecutivas y se determinó la longitud de onda.Finalmente se acoplo en el vibrador dos pequeños discos de caucho separados unos 5cm de manera que se sumergieran simultáneamente y por lo tanto se comporten como fuentes puntuales que oscilan en fase, se

4

Autor principal et al.: Titulo

cambió la frecuencia varias veces y se observó las zonas de interferencia destructiva, a continuación para finalizar el experimento se colocó un bloque de parafina a unos 10 cm del generador de ondas rectas y se observó lo que ocurría con distintas frecuencias.

DATOS OBTENIDOS:

Frecuencia teórica 19.3 Hz

Frecuencia experimental. 18.8Hz

E%= 2.5%

Dato ValorFrecuencia 19.3 Hz

H 0.75 mh 0.35 m

λ ` 0.012 mH: Distancia entre ventilador a agua.h: Distancia desde el generador hasta el agua.λ': Distancia desde el agua hasta el piso.

Longitud de onda.

λ= λ` hH 0.012 m

0.35 m0.75 m 0.056 m

Velocidad de la propagacion de las Ondas.V= λ * F 0.056M * 19.3Hz 1.08 m/s

ANGULO OBSERVADO EN EL PUNTO NUMERO 5.θR=¿ 90 θI=90

Pantalla

5

Autor principal et al.: Titulo

- Cuando se coloco un dedo en la superficie del agua:

- Cuando se rodaba el madero rollizo sobre la superficie:

- Cuando se colocó la barra recta:

Pulsos incidente y reflejado: (1)

- Cuando se colocó una lámina de plástico:

(2)

6

Autor principal et al.: Titulo

Diferentes imágenes en la pantalla que se obtuvieron cuando el medio era sometido a una variación tanto en la fuente como en los objetos que se colocaban como obstáculos de las ondas generadas.

(3)Barrera parabólica-pulsos rectos.

(4)Barrera parabólica-pulsos curvos.

Durante la práctica, se observo muchos comportamientos que generaron los pulsos y ondas en la superficie del agua.

.

Al momento en que se dibujaba en la pantalla la barrera y los pulsos tanto incidentes como reflejados, se logró observar como el rayo incidente estaba en el plano y sus superficie de separacion es perpendicular a este plano. Esto se pudo comprobar con la teoria de: Las direcciones de los haces de luz se expresan en

funcion de los angulos que forman con la normal a la superficie en el punto de incidencia. Esto traducido a nuestro expermiento, se pudo identificar los angulos cuando las lineas de relexion y de incidencia eran prolongadas. Las ondas observadas en el agua son estacionarias, debido a la reflexion de las ondas que se econtraban al final de la cubeta.

Además se pudo demostrar experimentalmente por medio de la medicion de los angulos obtenidos en la pantalla, que la ley de la reflexion es veridica, debido a que el ángulo de reflexion debia ser el mismo que el angulo incidente, y en este caso hubo dos grados de diferencia entre ellos.

Cuando se generan pulsos rectos y se quieren reflejar en un obstaculo de forma parabolica, lo que se pudo observar es que al inicio del recorrido de las ondas, estas se comportan de manera uniforme con forma casi recta, y a medida que las ondas se acercan al objeto parabolico, estas se comienzan a deformar tomando la orientacion del objeto. Los pulsos reflejados se pudieron observar de forma mucho mas desproporcional comparado con su primer comportamiento; comenzaron a ser mucho mas curvas, de forma “zigzag” y esto hacia que se deformara de cierta forma la onda que se queria observar. Las ondas generadas dentro del objeto parabolico, es decir en paralelo al fluido natural de las ondas, eran de forma uniforme, formando circulos casi perfectos, los cuales se observan en la figura numero 3.

Al momento de someter el mismo obstaculo de forma parabolica mediante un generador curvo, se pudo observar como las lineas de incidencia y reflexion se intersectan entre ellos, formando

7

Autor principal et al.: Titulo

por decir asi, circulos un poco definidos, y entre mas cerca se encontraban al centro del obstaculo parabolico, sus intersecciones se iban desvaneciendo. Al otro lado de este objeto, se pudo observar como, al igual que con el pulso recto, se generaron circulos definidos desde el foco de la barrera, tal como se observa en la figura 4. Con este analisis se puede concluir que los focos en la barrera en estos dos experimentos es igual, aunque sus pulsos sean distintos.

Luego se pudo observar por medio de una lamina de plastico el fonomeno de la refraccion. Este dice que cuando el angulo refractado como el angulo incidente se encuentran en el mismo plano, y forman un angulo entre el punto donde se genera la propagacion de ondas y el punto en donde se condensan en medio el rayo de luz generado, se puede encontrar la refraccion. Se pudo observar como existen unas pequeñas lineas sobre la pantalla perpendiculares a las lineas generadas por el generador de ondas. Al hallar las frecuencias de las ondas, se pudo observar como cuando se mantenia la velocidad constante y se realizaban 20 vueltas completas, se generaba una frecuancia de 266 Hz (13.3 Hz * 20).

4. Conclusiones- Se pudo comprobar la ley de reflexión

cuando se medían los ángulos obtenidos entre la línea de incidencia y la de reflexión.

- Por medio de la frecuencia del generador y la toma de medidas de la situación, se logró hallar la velocidad de propagación de las ondas en la superficie del agua.

- La velocidad es proporcional a la longitud y a la frecuencia de onda, y a su vez es inversamente proporcional a la longitud de onda.

- Se pudo analizar de forma experimental como es el comportamiento de una onda cuando es sometida a cierto tipo de situaciones, en donde cambian sus frecuencias, sus fuentes de onda y las barreras a donde estas llegaran.

- Se analizaron los pulsos incidentes y reflejados en la pantalla donde se reflejaban todas las ondas que se generaban en la parte superior llamada cubeta de onda.

5. Referencias [1]. Sears-Semansky-Young. Física Universitaria, Sexta Edición, ADDISON-WESLEY IBEROAMERICANA,S.A, Massachusetts, 1988.

[2]. http://www.fisica.uh.cu/bibvirtual/fisica_aplicada/fisicaIII/tekct/refl.htm

8