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FENÓMENOS ONDULATORIOS: MEDIANTE EL EXPERIMENTO DE “CUBETADE ONDAS”Maria Tarazona L. (1), Anni Pesantes G. (1) , Jose Ttito H. (2), Marvin Gonzales V. (1), Yheral Chingel J. (1)(1) Universidad Tecnológica del Perú – Sede: Lima Norte (2) Universidad Tecnológica del Perú – Sede: Lima Sur (3)Códigos: U...

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Informe de proyecto del curso Cálculo Aplicado a la Física 2

FENÓMENOS ONDULATORIOS: MEDIANTE EL EXPERIMENTO DE “CUBETA DE ONDAS” Maria Tarazona L. (1), Anni Pesantes G. (1) , Jose Ttito H. (2), Marvin Gonzales V. (1) , Yheral Chingel J. (1) (1) Universidad Tecnológica del Perú – Sede: Lima Norte (2) Universidad Tecnológica del Perú – Sede: Lima Sur (3)

Códigos: U19215138, U20224474, U19311877, U20237186, U20234247 1. RESUMEN El presente trabajo analiza experimentalmente el comportamiento de una onda en un espacio cerrado llamada cubeta de ondas. En escencia se enfoca, en la observación, generación de ondas sobre la superficie del agua.se analiza con el objetivo de verificar el principio de la ley de Hueyengs (principio de superposición) además los fenómenos de difracción e interferencia. Palabras claves: propagación de ondas, onda periódica, frente de onda, difracción, reflexión, interferencias, superposición de ondas. 2. INTRODUCCIÓN El movimiento ondulatorio es el proceso por el cual se propaga la energía de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas mecánicas o electromagnéticas. En este proyecto hallaremos una definición exacta de onda y descubriremos cómo se pueden describir matemáticamente. Veremos que las ondas se generan cuando se produce una perturbación y también de qué modo se pueden propagar. a. Descripción del proyecto.

b. Objetivos: Objetivo general: 1

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Compilar información sobre la cubeta de ondas y realizar la experimentación del proyecto.

Objetivo específico: Conocer sobre la propagación de ondas de sobrecarga. Conocer sobre la dependencia de la velocidad de la onda. Conocer sobre la reflectancia de las ondas.

c. Alcances y limitaciones:

La investigación de este proyecto servirá para conocer el estudio de las ondas y los fenómenos asociados a su propagación, de la cual nos apoyaremos en la práctica mediante la observación en la generación, propagación de pulsos y ondas periódicas en la superficie del agua, al igual que la ley de reflexión y una observación al fenómeno de refracción, con la finalidad de medir la velocidad de propagación de las ondas en la superficie y simultáneamente observar los fenómenos de interferencia y difracción de las ondas y establecer sus características principales. De igual manera, el análisis que conlleva el diseño y construcción del mismo. Asimismo, en el desarrollo de la investigación debido a la situación actual que estamos atravesando en el país, presentamos limitaciones de no disponer en la oportunidad de extraer información deliberada en forma grupal y poder interactuar en la elaboración del proyecto, y diseño del prototipo. Además, se puede ver limitada en poder conseguir los materiales, por tal motivo solo se desarrollará las pruebas en un simulador. 3. FUNDAMENTO TEÓRICO Propiedades de las ondas: Cuando las ondas interactúan con determinados obstáculos, algunas características, como la dirección o la rapidez, se modifican. A continuación, analizaremos como dichos cambios obedecen determinadas leyes y principios físicos. Reflexión de las ondas: 2

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Cuando una onda incide en el límite de separación de dos medios diferentes, parte de ella es re direccionada hacia el medio por el cual se propaga originalmente. A este fenómeno se le conoce como reflexión y se representa por ejemplo de manera luminosa en el espejo o de manera acústica como el sonar de un barco mediante una onda reflejada detecta obstáculos en el fondo marino.

Para estudiar dicho fenómeno se debe definir una línea imaginaria denominada normal (N) que es perpendicular a la superficie de separación entre ambos medios y que se encuentran en el mismo plano que el frente de ondas incidente Si incide un frente de onda sobre la superficie en un ángulo alfa: respecto de la normal entonces el frente de onda reflejado formará un ángulo de alfa con respecto de la línea normal.

Podemos concluir que las reflexiones de las ondas tienen dos importantes propiedades: -

La onda incidente, la onda reflejada y la normal están en un mismo plano.

-

El ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son de igual medida. Refracción de las ondas: Cuando una onda viajera, como la luz, el sonido o una onda sísmica, pasa de un medio a otro con densidad diferente, experimenta un cambio en su velocidad de propagación y, por consiguiente, en su dirección. Este fenómeno es conocido como refracción. Al dejar una cuchara dentro de un vaso que contiene agua, su imagen parece quebrarse, debido a que la luz experimenta el fenómeno de refracción. Si la onda incide en un ángulo alfa i sobre un interfaz (superficie que separa dos medios de diferente densidad) entonces experimenta un cambio en su dirección. La variación en la dirección de la onda es representada por el ángulo de refracción alfa 3

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r el que se mide respecto de la normal. Es importante mencionar que, durante la refracción, la frecuencia de la onda se mantiene constante; así, para que su velocidad varíe, debe cambiar su longitud de onda.

Difracción de una onda: ¿Te has preguntado por qué al dejar entreabierta una puerta o una ventana, el sonido proveniente desde el exterior se puede escuchar en cualquier lugar de la habitación? Esto sucede por una importante propiedad de las ondas, la difracción, generalmente, cuando una onda atraviesa una abertura cuyo tamaño es aproximadamente similar a la longitud de la onda, en dicha abertura se produce un nuevo foco emisor, a partir del cual la onda se propaga en múltiples direcciones.

INTERFERENCIA

Es la superposición o suma de dos o más ondas. Dependiendo fundamentalmente de las longitudes de onda, amplitudes y de la distancia relativa entre las mismas se distinguen dos tipos de interferencias: Constructiva: se produce cuando las ondas chocan o se superponen en fases, obteniendo una onda resultante de mayor amplitud que las ondas iniciales. Destructiva: es la superposición de ondas en antifase, obteniendo una onda resultante de menor amplitud que las ondas iniciales.

REFLEXION DE LAS ONDAS

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Es el cambio de dirección que experimenta ésta cuando choca contra una superficie lisa y pulimentada sin cambiar de medio de propagación. Si la reflexión se produce sobre una superficie rugosa, la onda se refleja en todas direcciones y se llama difusión. En la reflexión hay tres elementos: rayo incidente, línea normal o perpendicular a la superficie y rayo reflejado. Se llama ángulo de incidencia al que forma la normal con el rayo incidente y ángulo de reflexión al formado por la normal y el rayo reflejado. Las leyes de la reflexión dicen que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión y que el rayo incidente, reflejado y la normal están en el mismo plano.

Reflexión de las ondas transversales sobre cuerdas Se produce siempre que una onda viajera o pulso, alcanza una frontera, parte o toda la onda se reflejará. Si el extremo está fijo, el pulso reflejado es inverso al pulso incidente, es decir cambia su forma en 180 ° pero mantiene la misma amplitud (suponiendo que la energía no se disipe por rozamiento. Lo que ocurre es que la cuerda transmite un impulso hacia arriba al soporte, esta fuerza es respondida por una reacción de igual magnitud, pero de dirección opuesta, por eso la onda se invierte en la reflexión. Si el extremo está libre, puede oscilar con el impulso y por eso la onda no se invierte y conserva su forma original.

Reflexión de la luz Ocurre cuando los rayos de luz inciden en una superficie opaca y al chocar con esta se desvía y al regresar al medio forma un ángulo igual al de la luz incidente pudiendo formar una reflexión difusa o una reflexión especular.

Difracción de las ondas:

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Las ondas se dispersan al propagarse, y cuando encuentran un obstáculo, lo rodean y se doblan alrededor de él. Por ejemplo, cuando estamos en un cuarto cerrado y deseamos escuchar una conversación que se da en el pasillo, abrimos ligeramente la puerta y así logramos escuchar a través de la rendija. Esto sucede porque la onda sonora bordea el obstáculo, ósea la puerta, y sigue su camino, es decir que entra a la habitación. La difracción de las ondas consiste en la dispersión y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstáculo, el principio de Huygens proporciona una explicación geométrica de este comportamiento.

INTERFERENCIA DE LAS ONDAS La interferencia es el fenómeno que se produce cuando una onda se lugar de chocarse con un objeto se choca con otra onda. El principio de superposición establece que cuando dos o más ondas se encuentran en determinado punto de un medio en el mismo instante, el desplazamiento resultante es la suma algebraica de los desplazamientos individuales. Cuando dos o más ondas de la misma naturaleza coinciden en un punto del medio, en un instante determinado, sucede lo que se define como interferencia. Por ejemplo, si se golpea periódicamente con dos objetos la superficie del agua en un estanque, se producen dos frentes de onda circulares que se propagan a través de ella con la misma frecuencia e igual amplitud, es decir, en el momento en que un objeto produce una cresta, el otro también genera la suya, y cuando uno produce un 6

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valle, el otro también lo hace. Si en el mismo instante, en determinado punto de la superficie se encuentran dos crestas o dos valles, la amplitud del pulso resultante es la suma de las amplitudes, siendo la interferencia constructiva o positiva. En una interferencia destructiva o negativa, para que los movimientos al superponerse anulen la vibración, sus estados vibratorios deben estar en oposición de fase, lo cual solo ocurrirá si las ondas llegan habiendo recorrido distancias diferentes, s1 y s2, ver figura 2

Figura 2. Diferentes caminos desde las fuentes 1 y 2 hasta el punto P

Refracción sobre el plano Un frente de ondas también se refracta como un haz de luz, y entre más separadas estén las crestas, mayor es la λ y mayor la velocidad en ese medio. Snell encontró una forma de conocer la velocidad en el medio 2 si conoce los ángulos de incidencia y refracción. Así que la velocidad de propagación de la onda en cualquiera de los dos medios puede hallarse si se conocen los ángulos de incidencia y refracción y al menos una de las dos velocidades, sea la del medio 1 o la del medio 2. 7

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CUBETA DE ONDAS La cubeta de ondas es un dispositivo empleado en experimentos relacionados con la propagación de ondas en un medio líquido, preferentemente agua con detergente (para disminuir la tensión del fluido). Las siguientes ideas acerca de la propagación de las ondas se deben a Christiaan Huygens. Cada punto de un frente de onda puede ser visto como punto de partida de una onda elemental que se propaga con una velocidad y una longitud de onda iguales a las de la onda original. La envolvente de todas las ondas elementales es el nuevo frente de ondas. Para verificar el principio de Huygens se producen frentes de onda rectos en una cubeta de ondas llena de agua, los que sucesivamente se encontrarán con un obstáculo rectilíneo de un borde, una rendija estrecha y una rejilla. Detrás del borde se observa el cambio de dirección de propagación; detrás de la rendija estrecha, la producción de ondas circulares, y detrás de la rejilla la obtención de una onda rectilínea por la interferencia de ondas circulares. Dando un buen empleo puedes hacer que las ondas cambien de forma, si pones dos objetos que obstruyan el paso de la onda dejando solo una poco de espacio en medio las ondas se propagaran y se generaran en forma de un círculo.

Arriba: difracción de ondas rectilíneas en bordes Medio: aparición de ondas circulares detrás de una rendija estrecha 8

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Abajo : obtención de una onda rectilínea por interferencia de ondas circulares

PARTES DE UNA CUBETA La base del dispositivo es un contenedor rectangular 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. 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 experiencias. Para completar los utensilios a emplear en las experiencias, se utilizarán barras metálicas planas que se colocarán sobre la superficie del espejo. Estas actuarán como "espejos" donde las ondas se reflejarán.

4. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 1. Galo Sánchez, J. (28 de septiembre de 2016). Las Ondas [Publicación de blog].

Recuperado de https://proyectodescartes.org/EDAD/materiales_didacticos/EDAD_4eso_las_on das-JS/index.htm [Consultado el 31 de mayo de 2021]. 2. Fenómenos Ondulatorios. (03 de septiembre de 2011). Slideshare. Recuperado de https://es.slideshare.net/kunzellg1/fenomenos-ondulatorios-9123045. [Consultado el 31 de mayo de 2021]. 9

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5. ANEXOS TEMAS

Aplicaciones de:

1

Energía a través del espacio.

2

Magnetismo (Campos y fuerzas magnéticas, Fuentes de campo magnético, Ondas electromagnéticas)

3

Óptica.

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