cubeta de ondas
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Laboratorio de Cubeta de Ondas
Objetivos:
Para esta experiencia realizada durante la clase los objetivos fueron:
1. Familiarizarse con los conceptos fundamentales de la teoría ondulatoria en un
medio acuático.
2. 2. Verificar las leyes que rigen los fenómenos de reflexión, refracción, difracción
e interferencia de ondas.
El objetivo se logra gracias al uso de un instrumento compuesto llamado “Cubeta
de ondas” en el cual mediante propagaciones de ondas en el agua se apreciarán
tipos de fenómenos. Con la observación en el experimento, se realizará el informe
basándose en la pauta de confección técnico-científico de laboratorio docente de
Física.
Introducción:
Una cubeta de ondas, es un instrumento de carácter didáctico, que permite
estudiar las figuras formadas en la propagación de ondas superficiales en un
líquido. Estas figuras se lograrán ver en dos dimensiones. Consiste en un
recipiente de poca profundidad, cuyo fondo plano y rectangular es de vidrio
transparente y se puede observar la imagen reflejada por un espejo sobre una
pantalla colocada en una parte lateral de la cubeta. Un vibrador mecánico produce
las ondas en la superficie del agua.
Podemos c
omprender los fenómenos ondulatorios, cuyas aplicaciones son variadas y cada
una de igual importancia. Sus aplicaciones ayudan a la visualización de efectos
como: Reflexión, Refracción, difracción e Interferencia. Sus experimentos aclaran
la producción y propagación de ondas mecánicas y algunos conceptos como
longitud de onda, frecuencia, frente, entre otros. También este experimento
permite observar algunos de los fenómenos ondulatorios elementales más
comunes que ocurren en la naturaleza. Se analizará el comportamiento de las
ondas cuando se propagan en un medio dispersivo y se observará el cambio que
sufren cuando chocan con un obstáculo.
Fundamento teórico:
Para esta experiencia es necesario tener conocimiento de algunas definiciones
con las que se experimentará, éstas son:
Reflexión: La reflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre
en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio
inicial. Como ejemplos podemos tener: la reflexión de la luz, el sonido y las ondas
en el agua.
Difracción: Es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el
curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar
una rendija. 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 cierta distancia del emisor.
Interferencia: La interferencia es cualquier proceso que altera, modifica o destruye
una onda durante su trayecto en el medio en que se propaga. La
palabra destrucción, en este caso, debe entenderse en el sentido de que las
ondas cambian de forma al unirse con otras; esto es, después de la interferencia
normalmente vuelven a ser las mismas ondas con la misma frecuencia.
Es una característica típicamente ondulatoria, que es el origen de fenómenos
inexplicables desde perspectivas corpusculares.
Refracción: La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al
pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente
sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de
refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de
propagación de la onda.
Como ejemplo típico de este fenómeno tenemos cuando se sumerge un lápiz en
un vaso con agua: el lápiz parece quebrado.
Procedimiento Experimental:
Como ya mencionamos, estos efectos se logran gracias a la realización
experimental junto a la cubeta de ondas que vemos en la imagen. Se enciende la
luz de la lámpara y se comienzan las mediciones y observacione
s, según se indica en cada parte del desarrollo que sigue a continuación.
1.- Reflexión de ondas superficiales:
Genere ondas planas y coloque frente a estas ondas una barrera plana en
dirección oblicua respecto a la dirección de propagación de las ondas. Indique y
mida los ángulos de incidencia y de reflexión.
Para las mismas ondas planas, coloque ahora una barrera parabólica y vea lo que
sucede. Discuta en su análisis si da lo mismo colocar la barrera parabólica por el
lado cóncavo o por el lado convexo con respecto a la dirección de propagación de
la onda. Discuta además, si da lo mismo colocar una barrera circular o una barrera
parabólica.
2.- Difracción de ondas Superficiales:
Continuando con las mismas ondas planas, coloque ahora una barrera plana
frente a dichas ondas y discuta lo que observa en los extremos de la barrera.
Genere ahora una ranura frente a las mismas ondas planas. Para ello coloque dos
barreras planas frente a las ondas y dejando una pequeña separación entre
ambas barreras. Discuta lo que ocurre con el fenómeno de difracción al variar
tanto el ancho de la ranura como la frecuencia de vibración en forma
independiente.
Coloque dos barras de distinto largo frente a las mismas ondas. Observe lo que
ocurre con los bordes y en el centro de las barras. Discuta si tiene algún sentido
alargar la barra con el fin de disminuir la difracción producida. Además, como una
apl
icación práctica de este fenómeno, discuta la idea intuitiva de que para protegerse
de una onda es conveniente colocarse detrás de un objeto y apegado a éste.
3.- Interferencia de ondas superficiales:
Haga las modificaciones necesarias para tener dos fuentes puntuales, cada una
emitiendo un frente de ondas esféricas.
Ajuste la frecuencia, mantenga la constante y varíe la distancia entre las fuentes
de emisión de las ondas superficiales. Intente que se forme una interferencia
claramente definida e identifique los nodos producidos. Determine la diferencia de
camino desde dichos nodos a las fuentes puntuales. Realice los esquemas que
considere necesarios para aclarar lo que se está observando. En la parte de
análisis, discuta lo observado y determine una relación entre la longitud de onda y
la diferencia de caminos desde las fuentes puntuales a los nodos identificados.
4.- Refracción de ondas planas:
Genere ondas planas en la cubeta y coloque, frente a dichas ondas, una barrera
plana transparente de forma tal que solo quede una cantidad muy superficial de
agua sobre ellas. Siga las instrucciones del profesor para observar la refracción de
ondas.
a) Establezca una relación entre el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión y
el de refracción comprobando la validez de la ley de reflexión de ondas. ¿Qué
diferencias y semejanzas puede observar al cambiar la geometría del objeto
colocado frente a la onda?
b) Para el caso de difracción, explique lo que ocurre cuando se coloca un objeto
circular y rectangular frente a la onda. Indique diferencias y semejanzas entre
ambos casos.
c) Para el caso de interferencias indique lo que ocurre al aumentar la distancia
entre las fuentes de emisión, dejando fija la frecuencia. Indique lo que ocurre al
variar la frecuencia, dejando fija la distancia entre las fuentes.
Análisis de Resultados
1.- Reflexión de ondas superficiales:
La reflexión de ondas indica que toda onda que enfrenta una superficie que no
puede atravesar completamente, se devuelve al medio del cual provenía.
Cuando el movimiento, que parte de un centro de vibración se transmite a través
de un medio y en el camino de su propagación encuentra un obstáculo con el cual
choca, el movimiento cambia de dirección.
2.- Difracción de ondas superficiales:
Al observar el esquema, se ve que la onda al pasar entre las barreras en su centro
es recta, pero en sus extremos toma forma curva dando la impresión de ondas
circulares.
Al disminuir o aumentar la distancia entre las barreras y mantener constante la
frecuencia, como resultado sólo varía la amplitud de ondas.
Luego, se observó que las ondas se difractan intensamente, cuando pasan por
una abertura pequeña en comparación a su longitud de ondas y la difracción es
casi nula si su longitud de onda es muy peque
ña en comparación con la abertura de las barreras.
3.- Interferencias de ondas superficiales:
En la imagen que podemos ver a continuación, podemos ver lo que ocurre al
poner dos fuentes de ondas circulares coherentes.
Los círculos representan las crestas de las ondas que se propagan y por tratarse
de fenómenos periódicos, la distancia de separación entre dos círculos
concéntricos es siempre la misma (longitud de onda), valor que coincide en ambos
focos. Los radios de las crestas circulares correspondientes en cada serie son
iguales por estar ambos en fase a los focos.
Cuando las ondas se superponen, podemos producir el diagrama de la onda
resultante acudiendo al principio de superposición. En el punto donde coinciden
dos crestas se formarán “dobles crestas”, que producirán regiones brillantes sobre
el papel en que se reflejan las ondas de la cubeta.
En los puntos en que una cresta procedente de un foco coincide con un valle
emitido por el otro foco, ella no experimentará ninguna perturbación y sobre el
papel aparecerá una imagen gris. Finalmente, en los puntos en que se
superponen dos valles, se formará sobre el papel una imagen muy oscura.
Cabe destacar que en lo que en realidad se observa sobre el papel, es una familia
de elipses en las fuentes de ondas.
4.- Refracción de ondas planas:
Si se considera la alteración del medio de propagación de las ondas, se puede
entender que
las medidas en distintos puntos de la cubeta, varían respecto a sus condiciones
iniciales. Se observa la variación de longitud de onda, lo cual a su vez ocasiona
cambios en la velocidad de propagación, también se observa el cambio en los
ángulos de incidencia y refracción. La velocidad es menor en la parte menos
profunda y viceversa.
Se observó en el experimento que la longitud de onda en un medio de mayor
profundidad es directamente proporcional a esta, al igual que en un medio de
menor profundidad en el cual la longitud de onda es menor.
Conclusiones:
Se observó el comportamiento de las ondas tal como lo indica en el documento
guía de laboratorio y como se dejó notar en el desarrollo de la experiencia.
Se comprobó experimentalmente la relación entre los ángulos de una onda
incidente y la reflejada desde una barrera. Así como también la resultante de
pasar entre medio de dos barreras, reflejadas por una barrera cóncava y una
convexa.
De las últimas mencionadas, encontramos una aplicación muy común, que son las
antenas parabólicas, muy usadas en el último tiempo por la televisión satelital.
Bibliografía:
* Apuntes de clases óptica y ondas. Profesor Rodolfo Lagos.
* Apuntes de clases-experiencia N°3, Laboratorio de Física III.
* Libro R. Serway y R. Beichner. Física para Ciencia e Ingeniería; editorial
Thomson Internacional, edición 2005.
* http://varinia.es/blog/2011/02
1. RESUMEN:
La práctica de la laboratorio se baso en dos experiencias, cada una de ellas
generaban diferentes tipos de ondas y fenómenos exclusivos de estas. La primera
de ellas se utilizo un lápiz como objeto generador de ondas, la cubeta de ondas, la
lámpara, el papel blanco, etc. Con estos elementos, se pudo hacer posible la
experiencia y observar los diferentes cambios que tiene una onda desde su origen
hasta su culminación.
En La segunda experiencia se utilizo una regla como objeto generador de ondas,
láminas como barrera, la cubeta de onda, la lámpara, el papel blanco, entre otros
elementos; con los cuales se pudieron evidenciar varios fenómenos ondulatorios
es decir la interacción de la onda con el medio propuesto.
2. INTRODUCCION.
Los fenómenos ondulatorios son parte importante del mundo que nos rodea. A
través de ondas nos llegan los sonidos, como ondas percibimos la luz; se puede
decir que a través de ondas recibimos casi toda la información que poseemos.
Con esta práctica de laboratorio se pretende evidenciar los diferentes fenómenos
ondulatorios que se pueden generar en un medio determinado (montaje de la
cubeta de ondas), emplearlo en nuestra cotidianidad y generar conclusiones
respecto al conocimiento adquirido.
3. DISCUCIÓN TEORICA.
Los posibles cambios ondulatorios sufridos por una onda en nuestra vida diaria, f
ueron evidenciados en la práctica de laboratorio. Los conceptos fundamentales
para desarrollar la experimentación son: (onda, fenómenos ondulatorios y cubeta
de onda).
3.1 ONDA:
Es la perturbación que viaja a través del espacio o de un medio elástico, en la cual
transporta energía sin que haya en realidad desplazamiento de masa de un lugar
a otro.
3.2 FENOMENOS ONDULATORIOS:
REFRACCION:
Este fenómeno ondulatorio se presenta al cambiar el medio en que se propagan
las ondas.
REFLEXION:
Es un fenómeno ondulatorio asociado tanto a la propagación de la onda como al
medio en el cual se propaga. Consiste en que cuando una onda se propaga en un
medio viaja en una dirección y al llegar a un medio diferente cambia de dirección y
regresa al medio original.
DIFRACCION:
Ocurre cuando una onda al topar con el borde de un obstáculo deja de ir en línea
recta para rodearlo.
EFECTO DOPPLER
Efecto debido al movimiento relativo entre la fuente emisora de las ondas y el
receptor de las mismas.
EL PRINCIPIO DE SUPERPOSICION:
Afirma que cuando dos o más hondas se propagan en el mismo medio, y se
encuentran en un mismo punto de este en determinado instante, la onda
resultante es la suma de las ondas iniciales.
INTERFERENCIA:
Consiste en el fenómeno que ocurre cuando dos o más ondas se traslapan en la
misma región, dando como resultado una onda llamad
a “onda resultante”, cuyas características dependerán de las amplitudes de las
ondas iniciales, de las posiciones relativas entre las crestas y los valles de las
mismas, y de las frecuencias.
* Interferencia Constructiva: La amplitud del pulso resultante es la suma de las
amplitudes.
* Interferencia Destructiva: ocurre cuando se encuentra un valle y una cresta con
igual amplitud.
PRINCIPIO DE HUYGENS:
Establece que cualquier punto de un frente de onda puede considerarse un frente
de ondas esféricas cuta velocidad, frecuencia y longitud de onda son iguales a las
del frente original, por tanto, el nuevo frente de onda es la superficie externa de la
tangente a las ondas resultantes.
Pulsaciones o batidos :
Si se da el caso de que la frecuencia de ambas ondas no es igual (f1,f2), pero si
son valores muy cercanos entre sí, la onda resultante es una onda modulada en
amplitud por la llamada "frecuencia de batido" cuyo valor corresponde a fbatido =
Δf = | f1 − f2 | , la frecuencia de esta onda modulada corresponde a la media de
las frecuencias que interfieren.
4.3 LA CUBETA DE ONDAS.
Consiste en una cubeta de vidrio con agua sobre la que, mediante el uso de un
vibrador electromagnético, se generan ondas con una frecuencia y amplitud
seleccionables. Una luz estroboscópica permite proyectar las ondas sobre una
pantalla permitiendo "co
ngelar" la imagen y realizar medidas. Un indicador digital en el estroboscopio
muestra la frecuencia de vibración lo que permite realizar medidas cuantitativas.
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 v = f .λ
, en donde v es la velocidad de propagación, f la frecuencia de vibración y λ la
longitud de onda. Se toman medidas de λ para diferentes frecuencias y de dicha
gráfica se calcula la velocidad de propagación v . En otro experimento se estudia
la variación de la longitud de onda (y de la velocidad) en función de la profundidad
del agua. En otro experimento se estudia la refracción que se produce al pasar de
una zona con agua profunda a una menos profunda verificándose la relación
Consiste en una cubeta de vidrio con agua sobre la que, mediante el uso de un
vibrador electromagnético, se generan ondas con una frecuencia y amplitud
seleccionables. Una luz estroboscópica permite proyectar las ondas sobre una
pantalla permitiendo "congelar" la imagen y realizar medidas. Un indicador digital
en el estroboscopio muestra la frecuencia de vibración lo que permite realizar
medidas cuantitativas. 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 v = f .λ , en donde v es la velocidad de propagación, f la frecuencia de
vibración y λ la longitud de onda. Se toman medidas de λ para diferentes
frecuencias y de dicha gráfica se calcula la velocidad de propagación v . En otro
experimento se estudia la variación de la longitud de onda (y de la velocidad) en
función de la profundidad del agua.
4.4 ONDA PLANA.
En la física de propagación de ondas (especialmente ondas electromagnéticas),
una onda plana o también llamada onda mono dimensional, es una onda de
frecuencia constante cuyos frentes de onda (superficies con fase constante) son
planos paralelos de amplitud constante normales al vector velocidad de fase. Es
decir, son aquellas ondas que se propagan en una sola dirección a lo largo del
espacio, como por ejemplo las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda
se propaga en una dirección única, sus frentes de ondas son planos y paralelos.
Por extensión, el término es también utilizado para describir ondas que son
aproximadamente planas en una región localizada del espacio. Por ejemplo, una
fuente de ondas electromagnéticas como una antena produce un campo que es
aproximadamente plano en una región de campo lejano. Es decir que, a una
distancia muy alejada de la fuente, las ondas emitidas son aproximadamente
planas y pueden considerarse como tal.
PRIMERA EXPERIENCIA
:
Si analizamos el comportamiento de las ondas podemos darnos cuenta que estás
viajaban a través del agua hasta llegar a las paredes de la cubeta al mismo tiempo
y cuando se devolvían se encontraban en el mismo punto de nuevo, por lo cual se
puede afirmar que la velocidad de las ondas producidas era de carácter constante.
También se pudo observar que en el momento de realizar los pulsos con la regla,
los frentes de onda generados por esta eran lineales o rectos y al chocarse con las
paredes de la cubeta se devolvían conservando la misma forma.
Landa= 15cm
Periodo=1s
Frecuencia=1/Periodo=1/1=1
Velocidad=X/T=15cm/1seg=15cm/seg
Si se aumenta la frecuencia con que se produce la perturbación, la velocidad va a
aumentar ya que estas son directamente proporcionales (T=1/F) ENTONCES
V=(X/1)/(1/F) ENTONCES V=X*F, y la longitud de onda disminuye ya que al
producirse con mayor velocidad la distancia entre una onda y otra vendría siendo
de menor magnitud.
SEGUNDA EXPERIENCIA:
Cuando se genera una onda en un medio que posee obstáculos, esta tendera a
bordearlos cumpliendo con el fenómeno de difracción, en donde se modifica la
curvatura de la onda, pero su velocidad, frecuencia y longitud de onda serán
iguales a las de los frentes de ondas originales, cumpliéndose de esta manera con
el principio de Huygens. De acuerdo con el principio de Huygen
s, cuando la onda incide sobre un obstáculo todos los puntos de su plano se
convierten en fuentes secundarias de ondas, emitiendo nuevas ondas,
denominadas ondas difractadas, por lo que la explicación del fenómeno de la
difracción no es cualitativamente distinto de la interferencia
Si se disminuye la frecuencia con que se generan las ondas, estas seguirían
difractándose a causa de las barras, pero en este caso tendrían una mayor
longitud.
En el caso de las ondas planas al propagarse en una sola dirección a lo largo del
espacio, a atravesar el obstáculo o abertura se daría el fenómeno de difracción
generando ondas secundarias con propiedades muy similares a los frentes de
ondas primarios.
GRAFICAS.
1) Se toca con la punta del lápiz la superficie del agua generando ondas circulares
alrededor de el punto de contacto que se expanden a través del medio (agua),
hasta llegar a las paredes de la cubeta en donde se reflejan. Posteriormente estas
con una velocidad constante regresan hacia el punto donde el pulso fue generado.
2) En segunda instancia se toco la superficie con una regla, la cual genero ondas
lineales paralelas a la posición de la regla y circulares a partir de los extremos de
esta. Las ondas lineales se reflejan con las paredes de la cubeta al igual que las
circulares, regresando a su punto de origen sobreponiéndose unas
con otras durante el recorrido (las ondas reflejadas son las sombreadas en el
segundo recuadro).
3) En este otro experimento se toca la superficie del agua con el lápiz generando
ondas circulares que se expanden a través del medio hasta que llegan a las
barreras y paredes de las cubetas en donde ocurre el fenómeno de reflexión; pero,
al existir un espacio entre las barreras la onda viaja a través de este bordeando el
obstáculo y continua su trayectoria en la misma dirección inicial, es decir
alejándose del punto de origen. Este fenómeno se le conoce como difracción.
4) En este experimento se trabajo con una fuente vibradora de dos puntas, las
cuales generaban ondas circulares alrededor del punto de contacto, en donde se
evidencio el encuentro de valles y crestas con igual amplitud, también llamado
interferencia. En este caso ocurren pulsaciones o “batidos” los cuales se dan ya
que la frecuencia de ambas ondas no era igual (f1,f2), pero si eran valores muy
cercanos entre sí, dando como onda resultante, una onda modulada en amplitud
por la llamada "frecuencia de batido" cuyo valor corresponde a fbatido = Δf = | f1 −
f2 | , la frecuencia de esta onda modulada corresponde a la media de las
frecuencias que interfieren. En el segundo recuadro se ilustran las ondas
reflejadas a partir de las paredes de la cubeta que van en sentido contrari
o al que tenían cuando estaban recién generadas.
5) En este último experimento se utilizo una fuente vibradora de tres puntas, las
cuales produjeron ondas circulares con frecuencia muy similar que se interfirieron
en su recorrido evidenciándose “batidos” (primer y tercer recuadro), después de un
lapso de tiempo las ondas recorrieron la totalidad de la superficie del agua hasta
que se reflejaron contra las paredes de la cubeta y regresaron a su punto original
como se puede ver en el recuadro dos. En el tercer recuadro se observan las
nuevas ondas generadas por el vibrador interfiriéndose con las anteriores que se
habían reflejado contra las paredes de la cubeta.
CONCLUSIÓN
Ya para concluir, las experiencias dadas en el laboratorio nos dio a entender con
mayor claridad, como y de qué manera se genera una onda dependiendo del
material u objeto que sea utilizado para la realización de esta, además podemos
decir que una onda interactúa con el medio, causando los llamados “fenómenos
ondulatorios” y que estos a su vez son presenciados por la trayectoria que realizan
al formarse (formas que realizan en el agua); además de permitirnos detallar de
manera más clara estos fenómenos podemos decir que dependiendo de la
condiciones que este en el medio se pueden dar distintas formas de ondas y así
poder utilizar lo aprendido en nuestra vida cotidiana.
