Laboratorio Cubeta De Agua

Cubeta de ondas

Maria Camila Otálora Otta*, Dajhana Londoño Lopezb, Karol Hernandes Gutierrezb.

aIngenieria Industrial

bIngenieria Ambiental y Sanitaria

Fecha práctica 20 de Marzo del 2015; Fecha entrega de informe 27 de Marzo del 2015

Resumen

El objetivo general de esta práctica es observar la generación y propagación de pulsos y ondas perio-dicas en la superficie del algua además de medir la velocidad en esta misma superficie, junto a esto se espera verificar la ley de la refracción y el fenómeno de la reflexion, los fenómenos de interferencia y difracción de ondas. Se tiene como instrumento de medición una regla la dara la medida de las longitudes requeridas. Para el desarrollo de la práctica fueron necesearios los siguientes elementos: una cubeta de ondas compuesta por un generador de ondas y un estreboscopio digital, una regla, barras de madera con diferente forma redonda, cuadrada y rectangular, una barrera en forma de parábola, parafina, una lamina de plasrico con transparencia, todo esto para encontrar el valor de la velocidad de propagación y los fenómenos osciladores de ondas.

Palabras claves: Velocidad de propagracion, frecuencia, longitud de onda, reflexión, refracción.

1. Introduccion

Una cubeta de ondas, es un instrumento de carácter didáctico, que permite estudiar las figuras formadas en la propagación de on-das 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 comprender los fenómenos ondulatorios, cuyas aplica-ciones son variadas y cada una de igual im-portancia. Sus aplicaciones ayudan a la vi-sualización 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.

2. Marco Teórico

Para esta experiencia es necesario tener conocimiento de algunas definiciones con las que se experimentará, éstas son:

Reflexión: La reflexión (Figura 1) 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.

Figura 1: Fenomeno de la reflexion

Difracción: La difracción (figura 2)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.

Figura 2: Fenomeno de la difracción.

Interferencia: La interferencia (figura 3) 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.

Figura 3: Fenomeno de interferencia

Refracción: La refracción (Figura 4) 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 tie-nen 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.

Figura 4: Angulo de refracción.

Principio de huygens

Cada punto de un frente de onda actúa con una nueva fuente de ondas.

Leyes de snell

Cuando la luz incida sobre una superficie plana de un material liso, como el vidrio.Parte de la energía de refleja y parte penetra en el vidrio, es decir se refracta.

Primera ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y el rayo refractado están en el mismo plano.

Segunda ley: (de reflexión) 0¡ = 0r

Tercera ley: (de refracción) n1 sen 0¡ =n1 sen 0R

Se puede demostrar que cuando se produce una perturbacion en la superficie de un liquido, la velocidad de propagacion de las ondas superficiales viene dada por la expresión

V= √((gλ/(2π ))+2πT/ρλ) tgh 2πh/(λ ), (1)

Donde λ es la longitud de onda, y h, T y ρ son la profundidad, la tensi´on superficial, y la densidad del l´ıquido, respectivamente. Obviamente, T y ρ son dos par´ametros que Dependen del líquido utilizado, y dan cuenta de las propiedades de este.La velocidad de propagaci´on de la onda esta relacionada con la longitud de onda a traves de la frecuencia.

v = νλ. (2)

Puede ocurrir que en ciertos medios la frecuencia y la longitud de onda sean inversamente

Proporcionales, de manera que la velocidad es constante (independiente de frecuencia y 2 Longitud de onda). En este caso se dice que el medio no presenta dispersi´on. Por el Contrario, cuando la velocidad de propagaci´on depende de la frecuencia decimos que el fenomeno de propagaci´on presenta dispersi´on o que el medio es dispersivo. Otros fenomenos t´ıpicos del movimiento ondulatorio son la reflexion y la refraccion. Supongamos que una superficie cualquiera separa dos medios diferentes.

En la reflexion, una onda que se propaga en el primer medio con velocidad vi y que incide con un ´angulo θi, medido entre la direcci´on de propagaci´on de la onda y la normal a la superficie que separa los dos medios, es reflejada por la superficie separadora con un angulo θr, de tal manera que se cumple que

θi = θr. (3)

Por otro lado, cuando la onda se transmite al segundo medio, ´esta es desviada y se propaga segun una direccion que forma un angulo θd con la superficie que separa los dos medios.En este segundo medio, la onda se propaga con velocidad diferente, vd, de forma que se cumple la ley de Snell de la refraccion, esto es:

vd sen θi = vi sen θd. (4)

Generalmente estos dos fenomenos ocurren de forma simult´aneamente. Una onda cuando incide sobre una superficie es parcialmente reflejada y refractada.

Es importante se˜nalar de nuevo que los valores de θi, θr y θd se determinan midiendo respectivamente el ´angulo que forma el vector de propagaci´on de la onda incidente, reflejada y refractada, respecto de la l´ınea normal a la superficie que separa los dos medios. Los vectores de propagaci´on son siempre normales a los frentes de onda.

3. Metodologia

Para el desarrollo de la práctica fueron nece-searios los siguientes elementos: una cubeta de ondas compuesta por un generador de ondas y un estreboscopio digital, una regla, barras de madera con diferente forma redonda, cuadrada y rectangular, una barrera en forma de parábola, parafina, una lamina de plasrico con transparencia. Una vez se identifican cada uno de los elementos de la práctica se empieza la realización de la misma. En primera medida se encendio el la luz del estreboscopio y se verifico que tanto el estreboscopio como el generador de ondas estubiera funcionando correctamente y se apago la luz del laboratorio.

En primera medida se empieza a tocar un punto en la superficie del agua con la punta de un lápiz esto con el fin de identificar cualitativamente la forma y velocidad del pulso en todas sus direcciones. Luego de esto se tomo un madero en forma de rodillo y se empiezo a mover hacia delante y hacia atrás; en este punto se observo la forma de los pulsos generados.

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