Universidad Militar Nueva Granada
Ingeniería en Multimedia
Informe de Laboratorio:
Modelos de las ondas y cubeta de ondas
Fisica Optica y Acustica
Jhon Olave 1202198
Juan Jordan 1202428
Jose Tellez 1202426
Agosto 2022
1.
Modelos de las ondas y cubeta de ondas
2.
Objetivos
2.1.
Objetivo principal
Observar los fenómenos relacionados con las ondas como modelos,
principio de Huygens, propiedades como reflexión, refracción,
superposición, difracción y algunos aspectos de clasificación como frente
de onda, periodicidad.
2.2.
Objetivo Secundarios
● Aplicar el conocimiento teórico del principio de Huygens.
● Comprobar la semejanza y diferencia entre reflexión, refracción y
difracción.
● Reconocer la importancia y las aplicaciones de las propiedades de las
ondas.
● Distinguir frentes de ondas.
3.
Teoría
● Medio de propagación:
Ondas mecánicas: requieren de un medio para propagarse. Bien sea que este
medio se encuentre en estado sólido, líquido o gaseoso. Por ejemplo, el sonido, las
ondas sísmicas etc.
Ondas electromagnéticas: se propagan en el vacío. No requieren de un medio de
propagación. Por ejemplo, la luz.
● Dimensiones:
·
Ondas unidimensionales: las que se propagan en una sola dimensión. Por
ejemplo: al contraer y expandir un resorte.
·
Ondas bidimensionales: las que se propagan en dos dimensiones. Por
ejemplo: las que se forman al golpear la superficie del agua.
·
Ondas tridimensionales: las que se propagan en tres dimensiones. Por
ejemplo: la luz.
● Frente de Onda:
·
Plano:
En un frente de ondas plano la energía del foco se reparte en superficies planas
paralelas como las de la figura inferior.
·
Lineal:
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.
·
Circular:
El mayor ejemplo es cuando una onda circular se propaga en la superficie del agua,
los diferentes puntos de la superficie se desplazan verticalmente.
·
Esférico:
Es aquella onda tridimensional cuyos frentes de ondas para un observador en
reposo respecto a la fuente y el medio en el que se propaga son esferas
concéntricas, cuyos centros coinciden con la posición de la fuente de perturbación.
·
Cilíndrico:
Es un tipo de frente de onda tridimensional. Son aquellas en las que la energía se
reparte en superficies cilíndricas. Se pueden generar a partir de un foco con forma
de varilla
Ondas periódicas y aperiódicas:
El periodo de una onda se mide en términos de tiempos y se define como una
oscilación particular de un tipo de onda que se repite continuamente sin variar de
forma. Para las ondas periódicas se contempla el tiempo en el que estas tardan en
hacer una oscilación completa según su frecuencia, de lo que se puede concluir que
la frecuencia es inversamente proporcional al tiempo debido a que sí la frecuencia
de oscilación de onda es muy alta, el tiempo de realización del ciclo va a ser bajo;
por el contrario, si la frecuencia es baja el tiempo de realización del ciclo será alto.
En la siguiente imagen se puede ver un ejemplo de onda periódica:
Por el contrario a las ondas periódicas que también podemos reconocer como un
número de oscilaciones que se repiten, las ondas aperiódicas se trata de
perturbaciones o periodo de ondas que pueden ser aisladas o pueden cambiar su
forma, tamaño o frecuencia; es decir, no las podemos ajustar a ningún patrón.
● En cuanto a propiedades:
·
Reflexión:
Es el cambio de dirección de los rayos de luz que ocurre en un mismo medio
después de incidir sobre la superficie de un medio distinto. Se rige por dos principios
o leyes de la reflexión:
El rayo incidente, el reflejado y la normal a la superficie en el punto de incidencia
están en el mismo plano
El ángulo del rayo incidente i^ y el de reflexión r^ son iguales
·
Índice de refracción:
Es el cambio de dirección del movimiento ondulatorio que ocurre tras pasar éste de
un medio a otro en el que se propaga con distinta velocidad y/o amplitud de onda.
Se rige por dos leyes:
El rayo incidente, el refractado y la normal a la superficie en el punto de incidencia
están en el mismo plano
La ley de Snell de la refracción, que marca la relación entre el ángulo de incidencia
i^, el de refracción r^, y las velocidades de las ondas en los medios 1 y 2, v1 y v2,
·
Superposición:
Es una idea general aplicada en la física donde un sistema se encuentra en todos
los estados posibles al mismo tiempo. Una vez que se mide, cae a uno de los
estados base en los que se forma la superposición, destruyendo la configuración
original. La superposición también puede ser definida cómo la perturbación
resultante de una suma de varias ondas en el mismo espacio.
·
Difracción:
Es el fenómeno por el cual una onda que atraviesa un obstáculo por un orificio
pequeño se distorsiona y se propaga en todas direcciones detrás de dicho orificio.
En este apartado vamos a estudiar las características de dicho fenómeno y las
condiciones que lo hacen posible.
Cubeta de onda:
La cubeta de ondas permite la visualización de
la propagación de ondas en 2 dimensiones,
así como su interacción con barreras,
generando fenómenos de difracción, reflexión
y/o refracción. En ella se pueden observar
también los fenómenos de interferencia
constructiva y destructiva de ondas.
Fundamento teórico: Las olas propagándose
por la superficie de un fluido constituyen un
sistema típico de ondas mecánicas en 2
dimensiones, en el que se pueden apreciar
claramente la mayor parte de los fenómenos
ondulatorios. Por ejemplo, se pueden observar
ondas planas (como en la parte izquierda de la
figura) en las que las crestas de las olas
forman líneas rectas, siendo la longitud de onda λ la distancia entre dos crestas
consecutivas.
4.
Procedimiento:
Cubeta de ondas
Frente de Onda circular: Se activa el motor empleando ahora un solo pulsador. Con
la punta del objeto que representa un foco, se toca la superficie del agua. se
presenta un foco de onda circular.
Frente de Onda Lineal: Se coloca una barra transversal conectada al aparato para
dar un foco Lineal. Se coloca el objeto recto con el que se golpea la superficie del
agua. Se activa el motor empleando ahora un solo pulsador, se visualizará en la
pantalla
el
frente
de
onda
generado,
Frente
Principio de Huygens y Principio de Superposición.
“Todo punto de un frente de onda, se comporta como foco emisor de ondas
secundarias. El nuevo frente de ondas es la superposición de los frentes de
onda secundarios”.
Colocamos ahora dos apuntadores de onda circular y observamos la
superposición de onda de aquellos dos focos puntuales.
Difracción:
Colocamos una fuente de onda lineal en la cubeta e instalamos un obstáculo
lineal.
que se interponga al frente de onda, dejando espacio para un paso de esta
onda. Por ese espacio pasa la onda, el rayo del frente de onda lineal dejan de
ser paralelos y se convierten en especie de radiales.
Reflexión:
Producimos un frente de onda lineal y colocamos un objeto plano y largo en
forma inclinada. Como la superficie del agua estaba por encima del objeto las
ondas pasaron por el objeto como si no tuviera obstáculo.
Otro objetos utilizados
Rendija con espacios:
Utilizamos las rendijas para comprobar el principio de Huygens y el principio
de superposición con un foco de frente lineal. Observamos que en ambos
casos los rayos del frente de onda lineal dejan de ser paralelos y se
convierten en radiales.
4.1.
5.
Materiales
● Cubeta de ondas
● Set de elementos.
● Medio de registro (cámara fotográfica digital o cámara de celular, tablet
o PC).
Resultados.
5.1.
Análisis:
Para este laboratorio nos valemos de la teoría descrita en el principio de
Huygens, para afirmar los resultados obtenidos de este laboratorio.
Comenzamos hablando de que las ondas con las que trabajamos son ondas
mecánicas dado que fuimos nosotros quienes las creamos con diversos
elementos físicos ya descritos con anterioridad.
Según la onda que deseábamos crear (lineal o circular) y también de acuerdo
con la propiedad que quisiéramos observar, se aplicaba el principio de
generar una onda que en el agua se transformaba en un foco emisor de
ondas secundarias que generaba nuevas ondas a través de la suma de las
ondas anteriores y dado que esto no se opone a las propiedades de
dispersión de la onda, pudimos visualizar cómo al agregar nuevos elementos
físicos a la composición la misma se separaba en distintos ángulos que
podían reconocerse como un reflejo o se modifica la frecuencia de las ondas
o su longitud, lo que puede tratarse de una refracción.
No hacemos ningún análisis usando el principio o la ley de Snell dado que la
misma es para ondas electromagnéticas.
6.
conclusiones
● Entre la reflexión, la refracción y la difracción tenemos que las mismas
a pesar de producirse cuando la oscilación original se encuentra con
otro medio que la puede modificar, pueden mantener su forma aunque
se modifiquen algunas de sus propiedades o cualidades.
● Logramos evidenciar los diferentes frentes de ondas producidos en
cada uno de los ejercicios según su forma y entender cuál es su
funcionamiento, así como también cómo pueden ser formadas y en
qué planos. Por ejemplo,ondas de expansión en una dimensión, ondas
lineales o circulares en dos dimensiones a través de un elemento
como una regla o el toque de una punta en una superficie líquida, etc.
● La ley o principio de huygens describe perfectamente el
funcionamiento de las ondas al igual que su distribución,lo que
pudimos comprobar realizando cada uno de los experimentos
mencionados.
7.
Bibliografía