Departamento de Ingeniería Mecánica INFORME DE LABORATO-RIO

CUBETA DE ONDAS A. Juan, C. Cristina, M. Richard, O. Manuel

Facultad de Ingeniería.Programa: Ingeniería Mecánica

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RESUMEN

En este laboratorio se estudió el comportamiento de las ondas sobre el agua, esto con el fin de observar los fenómenos ondulatorios de reflexión y refracción, en este caso se observaron des-de una cubeta de ondas, que es un recipiente que posee un fondo de vidrio que permite pro-yectar sobre una pantalla las crestas y los valles, además se puede cambiar la frecuencia y amplitud de las oscilaciones y el “objeto” del vibrador electro-mecánico para generar las ondas de diferentes tipos. La dispersión de las ondas planas es un hecho conocido por todos.Palabras Claves: Ondas, reflexión, refracción, velocidad y longitud de onda

ABSTRACT

In this laboratory the behavior of waves on water was studied, this in order to observe the wave reflection and refraction-less phenomena in this case were observed from a wave trough, which is a container having a bottom glass that projects onto a screen peaks and valleys, plus you can change the frequency and amplitude of the oscillations and the "object" of the electro-mechanical vibrator to generate waves of different types. The scattering of plane waves is a fact known to all.

Keywords: waves, reflection, refraction, velocity and wavelength

INTRODUCCIÓN

En esta práctica de laboratorio se trató acerca de ondas en el cual se observó el movimiento que formaban estas en el agua producto de una perturbación constante, teniendo como objetivos, la verificación de la reflexión y difracción de ondas, por otro lado observar la generación y propaga-ción de pulsos y ondas periódicas en la superficie de agua.

Para cumplir con dichos objetivos se realizó una práctica, la cual consistía en que una cubeta de agua, con un generador continuo de ondas al cual se le podía variar la frecuencia, se pudiera observar cambios en las longitudes de onda, con ayuda de una luz estroboscópica se podía visualizar las ondas quietas. Para analizar el fenómeno de interferencia y difracción se colocó un objeto como barrera y un vidrio para simular un cambio de profundidad en la cubeta de ondas, en diferente posición, el cual al iniciar las perturbaciones se

pudo observar que las ondas cambiaban de dirección, en algunos casos de velocidad y de longitud de onda.

TEORIA RELACIONADA

La cubeta de ondas es un dispositivo empleado en experi-mentos relacionados con la propagación de (onda) en un medio líquido, preferentemente agua con detergente (para disminuir la tensión del fluido).

Normalmente la base del dispositivo es un contenedor rec-tangular 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.

Verificación experimental de los efectos ondulatorios de reflexión y refracción por: A. Juan, C. Cristina, M. Richard, O. Manuel,

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 o directamente sobre el techo. Se deberá mirar hacia allí para observar los resultados de las experien-cias.Para completar los utensilios a emplear en las experiencias, se utilizarán barras metálicas planas que se colocarán sobre la superficie del espejo. Éstas actuarán como "espejos" donde las ondas se reflejarán.

Dando un buen empleo puedes hacer que las ondas cambien de forma, si pones dos objetos que obstruyan el paso de las ondas dejando solo un poco de espacio en medio las ondas se propagaran y se generaran en forma de un círculo. Para entender un poco más de ondas y sus efectos se definirán los siguientes conceptos. [1]

Vibración: se denomina vibración a la propagación de ondas elásticas produciendo deformaciones y tensiones sobre un medio continuo. En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como un movimiento repetiti-vo alrededor de una posición de equilibrio.

Ondas: consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, pre-sión, campo eléctrico o campo magnético, a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal e, incluso, inma-terial como el vacío. [2]

Onda plana: también llamada onda monodimensional, 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 direc-ción 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.

Reflexión de ondas planas: ocurre cuando en su desplaza-miento encuentra un obstáculo el cual ocasiona que estas cambien de dirección tal como lo estableció Snell demos-trando que el ángulo de incidencia tomado desde la norma es igual al ángulo de reflexión del tren de ondas.

Refracción de ondas: fenómeno ondulatorio que ocurre cuando un frente de onda pasa de un medio de propagación a otro de diferente índice, ocasionando una desviación en la

trayectoria de terminada por los índices de refracción del segundo medio respecto al primero.

MATERIALES UTILIZADOS

• Cubeta de ondas con accesorios• Obstáculos• Papel trasparente

MONTAJE Y PROCEDIMIENTO

Se encendió el sistema de iluminación, lue-go se colocó el objeto vibrador (nariz) que generó las ondas y se ajustó tanto la ampli-ficación como la frecuencia hasta que se pudo distinguir claramente la proyección de las crestas y de los valles en la pantalla, pos-teriormente se realizaron montajes específi-cos para observar los fenómenos ondulato-rios de reflexión y refracción. ANALISIS Y RESULTADOS

En el laboratorio se observó que la formación de las ondas planas en la cubeta de ondas fue por medio de una fuente vibratoria, la cual hacia vibrar un puntero que golpeaba con cierta fragilidad el agua para generar las ondas.

Con cierta manipulación en la cubeta de ondas se pudieron observar varios tipos de fenómenos ondulatorios, como la reflexión, que se dio cuando las ondas que se propagaban encontraron un obstáculo, para este caso una placa pequeña, la cual las hizo cambiar de dirección y sentido.

Figura 1. Flexión de onda plana. [3]

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Como resultado del experimento en esta primera imagen se ven ondas con frentes planos y con un movimiento armónico sim-ple. Estas ondas se producen por la vibra-ción que se genera por el brazo y la nariz (objeto para la vibración) de la cubeta de ondas.Otro fenómeno que se pudo observar tras manipular la cu-beta de onda fue la refracción que ocurrió cuando el frente de onda pasó de un medio de propagación de diferente índi-ce a otro, para este caso se simuló esa diferencia con un cambio de profundidad el cual ocasionó una desviación en la trayectoria determinada, un cambio en la longitud de onda y velocidad de la misma. Además en la siguiente ima-gen las líneas oscuras se considera valles y las claras cres-tas.

Figura 2. Refracción de onda plana.

CUESTIONARIO

1. ¿Qué es la luz estroboscópica?

Esta luz es producto de un aparato llamado estroboscopio,

instrumento inventado por el matemático e inventor austría-

co Simon von Stampfer hacia 1829, éste permite visualizar

un objeto que está girando como si estuviera inmóvil o

girando muy lentamente. Este principio es usado para el

estudio de objetos en rotación o vibración, como las partes

de máquinas y las cuerdas vibratorias.

Permite encender y apagar alguna luz, en un lapso dado, la

cantidad de veces que uno desee. Este dispositivo es muy

utilizado en clubes nocturnos, en los aviones y en la produc-

ción de películas para dar la sensación de movimientos

rápidos.

En esencia un estroboscopio está dotado de una lámpara,

normalmente del tipo de descarga gaseosa de xenón, similar

a las empleadas en los flashes de fotografía, con la diferen-

cia de que en lugar de un destello, emite una serie de ellos

consecutivos y con una frecuencia regulable. Si tenemos un

objeto que está girando a N revoluciones por minuto y regu-

lamos la frecuencia del estroboscopio a N destellos por

minuto e iluminamos con él el objeto giratorio, éste, al ser

iluminado siempre en la misma posición, aparecerá a la

vista como inmóvil.

Si la frecuencia de los destellos no coincide exactamente

con la de giro, pero se aproxima mucho a ella, veremos el

objeto moverse lentamente, adelante o atrás según que la

frecuencia de destello del estroboscopio sea, respectivamen-

te, inferior o superior a la de giro.

2. Cuándo cambio la frecuencia de la luz estroboscópica

¿por qué se crea la ilusión de que la onda esta quieta

y por qué se crea la ilusión de que las ondas se mue-

ven lento hacia adelante o hacia atrás?

Para responder esta pregunta primero se debe saber que

cuando existe un sincronismo perfecto o en otras palabras

la frecuencia de las ondas es igual a la frecuencia de la luz

estroboscópica, entonces es cuando las ondas se observan

Verificación experimental de los efectos ondulatorios de reflexión y refracción por: A. Juan, C. Cristina, M. Richard, O. Manuel,

quietas, esto debido a que se produce el destello de luz por

un instante, y este instante coincide con la misma posición

de las ondas, entonces siempre se verá la misma zona de

las ondas ubicada en el mismo lugar. El resto del movi-

miento de las ondas no se percibe porque está a oscuras.

Cuando la sincronización entre el instante en que se en-

ciende la luz y la velocidad de la onda no es exacta, lo que

se aprecia es un lento movimiento de las ondas en una u

otra dirección en dependencia de si la luz se adelanta o

atrasa en sincronismo.

3. En la práctica ¿Qué corresponde a los valles y que

línea corresponde a las crestas?

Las franjas luminosas corresponde a las crestas y las oscu-

ras corresponde a los valles, esto se debe a que en la cubeta

de ondas las crestas actúan como lentes convergentes con-

centrando la luz de la lámpara, mientras que los valles ac-

túan como lentes divergentes dispersándola.

4. En la observación del efecto adulatorio de refracción

¿Qué onda va más rápido?

Dado que la frecuencia de la onda no varía, lo que indica

que el periodo tampoco, entonces cambiando así la longitud

de onda solamente y teniendo en cuenta que la velocidad es

igual a longitud de onda sobre el periodo, por lo tanto donde

la longitud de onda sea menor la velocidad será menor, así

debido a que en el medio refractado la longitud de onda es

más pequeña, entonces la onda es más lenta, siendo más

rápida entonces en el medio normal.

5. ¿Por qué hay un cambio en la longitud de onda cuan-

do se cambia la profundidad donde se propaga esta

misma?

Mientras la profundidad del agua no supere la longitud de

onda, la velocidad de onda aumenta con dicha profundidad.

Esto será un tanto más notorio cuanto menor sea la profun-

didad del agua. Por ello, las zonas con distintas profundida-

des representan, al comparar con los experimentos en me-

dios ópticos, distintas “densidades ópticas". Los medios

ópticos de mayor densidad corresponden a zonas de menor

profundidad y los de menor densidad a zonas más profun-

das.

CONCLUSIONES

Luego de terminada esta práctica se ha logrado de menara practica la verificación de la reflexión y refracción de on-das, por otro lado se pudo observar la generación y propaga-ción de pulsos y ondas periódicas en la superficie del agua, además se pudo observar que las ondas son producidas por alguna fuente o fenómeno y que asimismo se pueden utili-zar diferentes materiales y/o elementos para cambiar su dirección y sentido, mostrando los diferentes fenómenos nombrados anteriormente.

REFERENCIAS

[1] Información conceptual tomada de: es.wikipe-dia.org/wiki/Cuba_de_ondas

[2] Física Para Ciencias E Ingeniería \ Volumen 1\ Ray-mond A. Serway \ Editorial Cengage Lerning.

[3]Imagen tomada de la página web: www.youtube.-com/watch?v=W1te-QiFXbs

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