ONDAS MECÁNICAS
Nota: No olviden trazar un esquema representativo de los fenómenos observados y registrar todas las observaciones que deberán incluirse en el informe del práctico.
MATERIALES:
Actividad Nº 1
Sean un resorte del que pende un cuerpo, un péndulo y una cuerda sujeta por los extremos.
Apartemos a éstos de su posición de equilibrio.
1- ¿Qué fue necesario para sacar a estos cuerpos de su posición de equilibrio?
2- Analicen el movimiento que describen .
3- ¿Qué entienden por oscilación completa?
4- ¿Qué condiciones deben cumplirse para que se produzca y se prolongue en el tiempo un movimiento oscilatorio?
5- ¿Qué pasaría si no hubiera rozamiento con la energía mecánica en cada caso?
Parámetros del movimiento oscilatorio
El movimiento oscilatorio tiene rasgos característicos cuantitativos, estos son:
La periodicidad del movimiento oscilatorio. Se llama período de la oscilación a la magnitud T que caracteriza la periodicidad del movimiento oscilatorio, y es el tiempo necesario para una oscilación completa. Se mide en segundos.
La frecuencia (rapidez de repetición).La frecuencia n se mide por el número de oscilaciones completas en la unidad de tiempo.
n = 1 / T ; 1 Hz = 1 s-1 , es la frecuencia de las oscilaciones de un cuerpo que realiza una oscilación completa en 1 segundo.
La amplitud, esto es la desviación máxima del punto oscilante de la posición de equilibrio estable.
Así pues el movimiento oscilatorio tiene tres parámetros el período T, la amplitud A y la frecuencia n.
Las oscilaciones de un punto que transcurren con amplitud constante se llaman no amortiguadas, y las oscilaciones cuya amplitud disminuye paulatinamente son amortiguadas.
Llamamos oscilaciones forzadas aquellas que son producidas por la acción de una fuerza externa que actúa periódicamente sobre dicho cuerpo. En este caso también actúan la fuerza de resistencia del medio y la fuerza recuperadora.
Nota: No olviden trazar un esquema representativo de los fenómenos observados y registrar todas las observaciones que deberán incluirse en el informe del práctico
Actividad 2:
1- Midan el período de oscilación de los movimientos analizados. Realicen las mediciones que consideren necesarias y expresen el resultado con el error.
2- Calculen su frecuencia.
3- Podrían decir si se trata de oscilaciones amortiguadas? Fundamenten.
4- Analicen cada situación (péndulo, resorte, etc), midan en cada caso la amplitud del movimiento.
5- Realicen el diagrama del cuerpo libre de la bolita del péndulo y de la masa que cuelga del resorte.
6- ¿Dónde tienen su valor máximo y mínimo la aceleración y la velocidad en el movimiento oscilatorio de un péndulo? Fundamenta.
Magnitudes que caracterizan el movimiento de un punto oscilante
Durante la oscilación no amortiguada de un punto los parámetros T y A quedan invariables. Sin embargo hay magnitudes que varían ininterrumpidamente durante las oscilaciones del punto . Por ello se puede decir que ellas caracterizan el estado instantáneo de un punto que oscila. Estas son:
elongación: distancia entre la posición del punto oscilante y la posición de equilibrio en un instante dado. Para que el valor de la elongación quede bien determinado se le atribuye un signo de acuerdo al sistema de referencia elegido. La amplitud es la máxima elongación.
fase: (j) Existen puntos que oscilan con igual elongación e igual velocidad en todo instante. Se dice que estos puntos están en fase. Existen otros que en todo momento tienen elongación opuesta y velocidad opuesta. Estos están en oposición de fase.
velocidad y aceleración: estas magnitudes varían todo el tiempo.
Propagación del movimiento oscilatorio en un medio elástico:
Cuando un pez “pica” (muerde el anzuelo), en la superficie del agua se forman círculos que partiendo del flotador se propagan en todas direcciones. Junto con el flotador se desplazan las partículas del agua, que hacen contacto con él , que obligan a moverse a otras partículas más próximas a ellas, etc.
Se llama movimiento ondulatorio a la propagación de las oscilaciones por un medio.
Si observamos objetos que flotan en la superficie, veremos que al ser alcanzados por la perturbación, no son arrastrados, sino que realizan una oscilación vertical, es decir, que en la onda todos los puntos del medio oscilan alrededor de la posición de equilibrio y no se desplazan con la onda.
Nota: No olviden trazar un esquema representativo de los fenómenos observados y registrar todas las observaciones que deberán incluirse en el informe del práctico
Actividad 4
Materiales: Cuerda – resorte extenso
a) En una cuerda extensa agiten un extremo en dirección perpendicular a la cuerda
b) En un resorte apoyado sobre el piso, agiten un extremo en la misma dirección del resorte.
1- ¿Qué pueden decir acerca de la dirección en que oscila un punto del resorte y de la cuerda y la dirección de propagación de la onda?
ondas transversales: la dirección del movimiento de cada partícula es perpendicular a la dirección en que se propaga la onda.
ondas longitudinales: la dirección del movimiento de cada partícula es la misma que la dirección de propagación de la onda.
Las ondas transversales son posibles solamente cuando la deformación se acompaña por la aparición de de fuerzas elásticas recuperadoras. Como esta propiedad es solo propia de los sólidos y de la superficie del líquido , las ondas transversales solo se pueden originar en sólidos y en la superficie de los líquidos.
En las ondas longitudinales el desplazamiento de las partículas se efectúa a lo largo de la línea que une sus centros , o sea provoca variación de volumen. Puesto que al variar el volumen las fuerzas recuperadoras surgen también en los gases, las ondas longitudinales pueden surgir en sólidos, líquidos y gases.
El continuo lugar geométrico de los puntos de la onda que tienen la misma fase de oscitación se denomina superficie ondulatoria . Por ejemplo las circunferencias claras en la figura.
La superficie ondulatoria delantera, o sea, la más alejada de la fuente que origina las ondas, se denomina frente de ondas.
Si en el caso de una onda transversal dibujamos el conjunto de todos los puntos del medio en un instante determinado (por ej el perfil del agua al propagarse una onda en la superficie) obtenemos una visión global del medio en ese instante, equivale a una fotografía instantánea del medio. Háganlo:
La línea a lo largo de la cual se propaga el frente de ondas se denomina rayo. En un medio isótropo el rayo es siempre perpendicular a la superficie ondulatoria. Es decir que en un medio isótropo todos los rayos son rectas.
El movimiento del frente de ondas en un medio isótropo transcurre a velocidad constante.
Por eso, en un período de oscilación de la fuente que origina las ondas, el frente de ondas se traslada una distancia determinada que se denomina longitud de onda l.
Ya que cada punto del medio realiza oscilaciones forzadas, la frecuencia de estas oscilaciones es igual a la frecuencia de las oscilaciones de la fuente de onda.
Entonces, la longitud de onda es la distancia que recorre la perturbación en un período de oscilaciones de la fuente de ondas. Para las ondas transversales la longitud de onda es la distancia mínima que hay entre dos valles o dos crestas, más próximos. Para las ondas longitudinales la longitud de onda es la distancia mínima entre los centros de dos condensaciones o enrarecimientos vecinos. Ver figuras.
Se llama velocidad de fase la velocidad con la que se propagan las oscilaciones en un medio elástico. Ya que la velocidad es constante en un medio isótropo, ésta se calcula teniendo en cuenta que la fase de la onda se desplaza una distancia l en un tiempo T:
v = l / T o bien, v = ln
a) Un hombre rana, que nada debajo del agua, golpea con su martillo el casco de un barco hundido. Produce de tal modo una onda longitudinal que se propaga a razón de 1500 m/s (velocidad del sonido en el agua). La onda tiene un período T = 0,0025 s ¿Cuál es su longitud de onda y su frecuencia?
b) Calcula la longitud de onda de una onda de 1000 Hz , provocada por el hombre rana del problema anterior.
c) La estación de Radio Nacional transmite ondas de radio de frecuencia 780 Khz. Calcula la longitud de onda. (velocidad de las ondas electromagnéticas en el vacío 300.000 Km/s)
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Actividad 5
Les proponemos trabajar con una cuba de ondas, iluminada desde arriba y con una papel blanco debajo de ella.
a) producimos un pulso, describan lo que se observa
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¿podrían decir si se trata de ondas amortiguadas o no? Fundamenten.
b) coloquen un corcho sobre el agua. Indiquen qué movimiento describe el corcho.
c) ¿podrían decir entonces si las partículas de agua se desplazan junto con la onda?
d) Discutan la siguiente afirmación: “las ondas son portadoras de energía”.
Nota: No olviden trazar un esquema representativo de los fenómenos observados y registrar todas las observaciones que deberán incluirse en el informe del práctico
e) Producimos ondas planas haciendo vibrar la regla rítmicamente. Observen la longitud de onda. Si es posible diseñen alguna experiencia para medirla.
f) Ahora modifiquen la frecuencia. ¿Qué ocurre con la longitud de onda?
g) Señalen el rayo.
Actividad 6: reflexión de ondas
1- En la cuba de ondas dispondrán de una barrera recta y harán que incida en ella un pulso primero y un tren de ondas planas luego. Señalen el rayo para ambas ondas.
a) paralela al frente de ondas
b) en cualquier otra dirección
c) ¿Porqué se habrá expandido poliuretano sobre los bordes de la cuba?
2-Repitan la experiencia, reemplazando la barrera por una superficie curva.
3- Den vuelta la superficie.
4- Investiguen en un libro cómo se explica desde la óptica geométrica el fenómeno de reflexión en espejos curvos.
Nota: No olviden trazar un esquema representativo de los fenómenos observados y registrar todas las observaciones que deberán incluirse en el informe del práctico
Actividad 7: Refracción de ondas
1- Introduzcan dentro de la cuba de ondas una placa de vidrio que cubra una parte de la misma de manera que quede levemente sumergida en el agua. Produzcan una onda plana cuyo frente sea paralelo a la línea divisoria de profundidad. Señalen los rayos. Reproduzcan en un esquema lo que se observa.
2- ¿Qué ocurre con la longitud de onda?
3- ¿La frecuencia de las ondas debiera cambiar por el cambio de profundidad?
4- ¿Cómo resulta la velocidad de propagación en ambas zonas? Fundamenta
5- Repitan el experimento anterior colocando un vidrio de manera que la línea divisoria de profundidades resulte oblicua con respecto al frente de ondas, señalen los rayos. Reproduzcan en un esquema lo que se observa.
.
6- Saquen conclusiones.
Cuando una onda pasa de un medio a otro donde se propaga a distinta velocidad, el fenómeno que se produce recibe el nombre de refracción.
Nota: No olviden trazar un esquema representativo de los fenómenos observados y registrar todas las observaciones que deberán incluirse en el informe del práctico
Actividad 8:
1- Reflexión de luz
Diseñen una experiencia para encontrar alguna relación entre los ángulos de incidencia y de reflexión. Midan las magnitudes y estimen el error experimental indicando cuáles pueden ser las causas de dicho error.
Nota: No olviden trazar un esquema representativo de los fenómenos observados y registrar todas las observaciones que deberán incluirse en el informe del práctico
2- Refracción de luz- Ley de Snell
materiales: caja de luz, ranuras para colimar el rayo, disco de Hart, semicilindro de acrílico, agua, y / o vidrio.
-a) Dispongan los elementos de modo de poder medir: ángulos de incidencia y ángulos de refracción. Traten de minimizar el error experimental.
b) Realicen un esquema del dispositivo
c) Registren los datos en una tabla de valores
| Ángulo de incidencia (º) | Ángulo de refracción | Seno del ángulo de incidencia | Seno del ángulo de refracción | Sen i / sen r = n |
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d) Elaboren conclusiones.
e) Investiguen sobre la ley de Snell
f) Repitan la experiencia pero incidiendo desde el lado curvo. Observen qué ocurre con el rayo refractado a medida que van aumentando el ángulo de incidencia.
g) Midan el ángulo límite del par de medios considerado
h) Investiguen acerca del fenómeno de reflexión total.
Nota: No olviden trazar un esquema representativo de los fenómenos observados y registrar todas las observaciones que deberán incluirse en el informe del práctico
Actividad 9: difracción
nota: en todos los casos realicen un esquema de lo observado.
1- En la cuba de ondas ahora coloquen un obstáculo y produzcan ondas planas, observen qué ocurre con las ondas planas al pasar por los bordes del obstáculo.
2- Ahora en lugar del obstáculo coloquen dos barreras que dejen una rendija libre. ¿Qué ocurre con las ondas al pasar por la ranura?
3- Varíen el ancho de la ranura (comiencen con una distancia entre obstáculos de aprox 5 λ y luego vayan disminuyendo esa distancia), registren lo que se observa.
Actividad 10: interferencia de ondas
1- Imaginen que por la superficie del agua se propagan dos ondas que parten de dos puntos distintos. Se producirá la superposición de estas ondas en los lugares donde se encuentran y se cruzan. No obstante, cada una de las ondas, pasando el lugar del encuentro, sigue propagándose como si no hubiera tenido lugar dicho encuentro. Durante la superposición la elongación de ese punto del medio es igual a la suma algebraica de las elongaciones creadas por cada onda aislada.
2- Generen un tren de ondas sobre la soga sujeta por un extremo. Registren qué sucede en las zonas donde se cruzan la onda incidente y la reflejada.
3- Generen en la cuba dos ondas de la misma frecuencia. Decimos que lo que tenemos son dos fuentes coherentes , ya que se trata de fuentes que oscilan con igual frecuencia y que por lo tanto conservan constante la diferencia de fase durante todo el tiempo.
4- Comparen lo observado con alguna fotografía tomada de un texto, reconociendo en la experiencia las zonas con interferencia constructiva y aquellas con interferencia destructiva.
5- Repitan para dos ondas que resultan de la difracción en sendas rendijas.
