CARACTERISTICAS DE UNA ONDA

Molina Julin, Ospina Mara, Roldn Natalia

Politcnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, Medelln - Colombia

Facultad de Ciencias bsicas, Humanas y Sociales

Septiembre de 2015

Resumen

En este prctica estudiaremos experimentalmente algunas caractersticas de las ondas

mecnicas, es decir, de aquellas ondas que requieren de un medio material para poderse

propagar. Como primera parte en la prctica se realiza una simulacin en la cual se va a

observar y controlar mediante un ordenador las ondas en una cubeta simulada, es decir,

generando olas sin agua, y aprender los fundamentos de la mecnica ondulatoria.

Gracias a esta simulacin se puede medir la longitud de una onda, establecer una

relacin entre la longitud de onda, la frecuencia y la velocidad de fase, aparte de otros

factores relacionados con las ondas. La segunda parte de la prctica consta de utilizar la

cubeta de ondas y repetir el proceso realizado en la simulacin, pero ya de forma fsica,

utilizando distintos osciladores para generar ondas circulares concntricas, ondas

planas, interferencias de ondas, difraccin de ondas, etc.

1. Introduccin

Una onda es una perturbacin generada

en un medio donde se propaga.

Las ondas se dividen en mecnicas y

electromagnticas la diferencia radica

en que la primera necesita de un medio

material para propagarse y las segundas

no necesita de un medio para

propagarse.

De igual forma la diferencia entre ondas

transversales y longitudinales

bsicamente es su direccin de

propagacin, en otras palabras la onda

transversal se mueve perpendicular a la

direccin de propagacin de la

perturbacin como la luz, mientras que

las ondas longitudinales se mueven en

la misma direccin de la perturbacin

tal es el caso del sonido.

Figura 1. Se describe como es la

propagacin de una onda

Por otro lado una onda no transporta

materia transporta energa

(informacin).

Todo movimiento ondulatorio tiene

como caracterstica fundamental ser

situaciones producidas en un punto del

espacio, que se propagan a travs del

mismo y se reciben en otro punto.

2. Materiales y procedimiento

Cubeta de ondas Cronometro

Regla Computador

Procedimiento experimental

o Actividad 1.

Analizar con detalle la siguiente

simulacin:

http://phet.colorado.edu/en/simulation/

wave

Propsito de la simulacin.

Observar y controlar mediante un

ordenador las ondas en una cubeta

simulada, es decir, generando olas sin agua, y aprender los fundamentos de la

mecnica ondulatoria

Esta simulacin permite explicar:

1. Como generar ondas en la superficie

de un lquido.

2. La descripcin matemtica de una

perturbacin mediante el uso de una

funcin seno o coseno.

3. Medir la longitud de onda.

4. Establecer una relacin entre la

longitud de onda, la frecuencia y la

velocidad de fase.

5. Relacionar analgicamente los

movimientos oscilatorios ya estudiados

y el movimiento ondulatorio.

6. Explicar la diferencia entre la

velocidad de fase y la velocidad con la

cual oscilan las partculas del medio

material.

7. Dar ejemplos de aplicacin de los

fenmenos ondulatorios en el mundo de

la vida.

o Actividad 2.

Se utiliza la cubeta de ondas y repite

todo el procedimiento seguido con la

simulacin anterior. Para generar ondas

circulares concntricas y con un factor

de magnificacin medir la longitud de

onda real, adems se utilizan diferentes

obstculos en la cubeta de ondas para

analizar el fenmeno de reflexin y

refraccin. Se mide la longitud de onda

para diferentes valores de la frecuencia.

Figura 2. Ondas circulares

Aqu se logra observar la propagacin

de una onda circular en una cubeta de

ondas y su correspondiente longitud.

Figura 3. Obstculos en ondas

circulares.

La onda incidente atraviesa el obstculo

que con el factor de magnificacin la

longitud de la onda y el obstculo son

proporcionales. Por tanto cada punto del

obstculo se convierte en un nuevo foco

emisor de onda.

Figura 4. Fenmeno de reflexin en

ondas.

Se observa claramente que al llegar al

obstculo se comienzan a crear las

ondas reflejadas. Adems las ondas se

reflejan con la misma direccin y

velocidad pero en sentido contario.

3. Datos y clculos

o Ecuacin del movimiento ondulatorio

= ( ) (1)

o Velocidad de fase terica

=

(2)

Donde:

= longitud de onda T= Periodo

o Porcentaje de error

% =

(3)

Tabla 1. Longitud de onda y frecuencia

Actividad 1

Longitud de onda (m) Frecuencia (hz)

0,0628 0,376

0,0527 0,469

0,0231 1,042

0,0126 1,754

En la tabla anterior de observan los

datos de la longitud de onda medida a

partir de las herramientas en la

simulacin y la frecuencia a partir del

periodo obtenido mediante la misma.

Figura 5. Longitud de onda Vs

Frecuencia en simulacin

Se graficaron los datos de la tabla 1 los

cuales provienen de las ondas generadas

a partir de la simulacin y sus

respectivas longitudes y frecuencias.

Tabla 2. Datos de la barra real y la vista

en la cubeta de ondas

Barra 6,4

Amplitud Barra 18,5

Factor de magnificacin (m)

0,0289

En esta tabla se observan los datos de la

medida de la barra real y la misma

medida vista en la cubeta para

determinar el factor de amplificacin.

y = 0,0278x-0,953

R = 0,9979

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

0,01 0,03 0,05 0,07Fr

ecu

en

cia

(Hz)

Longitud de Onda (m)

Longitud de Onda Vs Frecuencia

Tabla 3. Longitud de onda y frecuencia

a partir de la cubeta de ondas

Longitud de onda (m) Frecuencia (hz)

0,0083 25

0,0069 39

0,0045 63

0,0035 88

En la tabla anterior se observan los

datos de la longitud de onda medida

directamente desde la cubeta de ondas y

la frecuencia dada por el sensor, con su

respectivo factor de amplificacin.

Figura 6. Longitud de onda Vs

Frecuencia en cubeta de ondas

Figura 7. Inverso longitud de onda Vs

frecuencia

En la grfica anterior se observan los

datos de la tabla 2 pero en este caso en

el eje x se encuentra el inverso de la

longitud de onda.

Tabla 4. Velocidad de fase terica

A partir de la ecuacin (2) se calcul la

velocidad de fase terica.

y = 0,3596x - 16,027R = 0,9933

020406080

100

110 160 210 260 310Fre

cue

nci

a (H

z)

Inverso Longitud de Onda (m)

Inverso Longitud de Onda Vs Frecuencia

Longitud de

onda (m)

Frecuencia

(hz)

Periodo

(seg)

Velocidad de

Fase (m/seg)

0,0083 25 0,04 0,208

0,0069 39 0,026 0,270

0,0045 63 0,016 0,283

0,0035 88 0,011 0,304

y = 0,0394x-1,365

R = 0,9781

0

20

40

60

80

100

0,003 0,005 0,007 0,009

Fre

cue

nci

a (H

z)

Longitud de Onda (m)

Longitud de Onda Vs Frecuencia

Figura 8. Periodo Vs longitud de onda

Mediante esta grafica se obtiene la

pendiente de la curva la cual nos

determina el valor experimental de la

velocidad de fase.

4. Resultados

PARTE A: Mximos y

mnimos

Cresta o Mximo

Valle o Mnimo

PARTE B. Amplitud

Amplitud a la derecha

y = 0,0243x - 0,0006R = 0,9974

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0 1 2 3

Lon

gitu

d d

e O

nd

a (m

)

Periodo (seg)

Periodo Vs Longitud de Onda

Amplitud a la izquierda

(a) El cambio en la amplitud se debe al cambio en el tamao de las

gotas de agua? Explique

claramente.

R/Si, porque el tamao de la gota

determina el tamao de la amplitud de

la onda por lo tanto son proporcionales

sea a mayor tamao de gota mayor

amplitud.

(b) tienen las ondas as generadas la

misma amplitud? S? No? Explique

claramente.

R/ No, las ondas generadas son

proporcionales al tamao de las gotas,

por ende son de diferente y cambiante

amplitud.

(c) Teniendo en cuenta los dibujos de

la vista lateral y de la superior, dibuje

la amplitud de las ondas. Qu punto

de vista, el lateral o el superior, es

ms adecuado para esta

representacin? Explique.

R/

Es ms adecuado el lateral puesto que

ya que se puede observar la amplitud,

que Es la distancia mxima entre el

punto ms alejado de una onda y el

punto de equilibrio o medio. Y es ms

acercado a los modelos matemticos y

ms fciles de estudiar.

(d) Qu ocurre con la amplitud

cuando nos alejamos de la fuente?

R/ Las ondas siguen teniendo la misma

amplitud.

PARTE C. Frecuencia

Frecuencia a la derecha

Frecuencia a la izquierda

(a) Las ondas de alta frecuencia son

diferentes de las de baja frecuencia?

Qu tienen de diferente?) Explique.

R/ Si, a baja frecuencia tiene una mayor

amplitud de onda y a alta frecuencia

tiene menor amplitud y a su vez, con

baja frecuencia hay mayor longitud de

onda y a alta frecuencia hay menor

longitud de onda.

(b) Suponga que dos estudiantes no

estn de acuerdo acerca de las

diferencias observadas entre las

ondas de alta frecuencia y las de baja

frecuencia. Uno de ellos dice que las

ondas de alta frecuencia son ms

rpidas que las ondas de baja

frecuencia el otro, sostiene ambas

ondas tienen la misma velocidad.

Qu opinan ustedes?

R/ Las ondas a alta frecuencia tienen

mayor velocidad de propagacin que las

de baja frecuencia.

(c) Cul es la relacin entre la

frecuencia de la fuente de las ondas

(la llave que gotea) y la longitud de

onda? Son directamente

proporcionales? Son inversamente

proporcionales? No hay relacin

aparente entre ellas? Explique con

detalle.

R/ La frecuencia es inversamente

proporcional a la longitud de onda, ya

que a mayor frecuencia hay menor

longitud de onda y a mayor longitud de

onda menor frecuencia.

(d) Qu le pasa si es que pasa - a la frecuencia de cada ola a medida que

nos alejamos de la fuente? Use los

detectores mostrados en el men de la

derecha.

R/ Las ondas siguen teniendo la misma

amplitud.

(e) Examine las ilustraciones a

continuacin, cada una representa

una onda en una cubeta. Algunas son

vistas laterales, otras vistas

superiores.

R/ No Cambia.

Calcule la amplitud de la onda y la

frecuencia de la fuente en cada caso.

FIGURA A

Amplitud = 1.8cm

= 3cm

K = 2

K = 2

3 Cm

K = 2,094 1

FIGURA B

Amplitud = 1.2cm

= 2.3cm

K = 2

K = 2

1.2 Cm

K = 5,235 1

FIGURA C

Amplitud = 0.7cm

= 1.1cm

K = 2

K = 2

0.7

K = 8,975 1

(g) Qu caracterstica de una onda

est mejor representado en su

amplitud?

Velocidad __ Long de onda __

Frecuencia ___ Perodo __ Energa

____. Explique claramente.

R/ La Energa, puesto que la cantidad o

valor que esta tome es proporcional a la

misma, claro esta que esta energa

depende de otros valores, pero

grficamente la cresta o el tamao de

esa montaita que se observa en la vista

lateral es una aproximacin grafica de la

energa que est teniendo el movimiento

ondulatorio.

(h) Cul control en su reproductor

de msica o de su televisor le permite

aumentar o disminuir la amplitud de

las ondas sonoras que ellos emiten?

R/ El volumen.

Describa de manera conceptual pero con detalle la forma como se

generan las ondas en la superficie

de un lquido usando la cubeta del

laboratorio.

En una cubeta de ondas que puede ser

plstica o de cristal se producen ondas

de tipo mecnicas pues necesitan de un

medio material para propagarse las

ondas y pueden ser planas o circulares

concntricas.

Tiene un vibrador electromagntico

para producir impulsos en el lquido

(agua) que generan ondas con una

frecuencia y amplitud seleccionables.

La cubeta de ondas permite la

visualizacin de la propagacin de

ondas en 2 dimensiones, as como su

interaccin con barreras, generando

fenmenos de difraccin.

Analice con todo detalle la grfica de la frecuencia contra la longitud

de la onda. Es posible la calcular

la velocidad de fase utilizando esta

grafica?

R/ Se logra observar en la figura 1

obtenida gracias a la simulacin y la

figura 2 obtenida de la cubeta de ondas

un tendencia igual (potencial) esto es

debido a que son los mismos parmetros

fiscos que se estn midiendo (frecuencia

y longitud) en ambas graficas aunque en

ambientes distintos tienen el mismo

principio y es transmitir energa.

Tambin se analiza que entre ms

pequea es la longitud de la onda mayor

es la frecuencia.

Considerando el plano cartesiano si es

posible calcular la velocidad de fase en

la grfica, simplemente se lee la

longitud de onda (eje x) y la frecuencia

(eje Y) y se aplica la ecuacin (2).

Analice con todo detalle la grfica de la frecuencia contra el inverso

de la longitud de la onda y calcule

la velocidad de fase

R/ se observa un comportamiento

lineal entre el inverso de la longitud de

la onda y la frecuencia (figura 6), es

decir ambos parmetros fsicos crecen

con similar linealidad.

La frecuencia crece a medida que va

creciendo el inverso de la longitud de

onda o viceversa.

Tabla 5. En esta tabla se muestra los

datos de la velocidad de fase calculadas

como se indica en la tabla 4 y en los

respectivos clculos de este informe.

Porcentaje de error

% =0,0243 0,0236

0,0243 100%

% = 2,8%

El porcentaje de error es relativamente

pequeo respecto a la velocidad de fase

obtenida a partir de la ecuacin (2) y el

valor de la pendiente de la curva en la

figura (8). Este porcentaje se da debido

a factores externos como movimiento

en la mesa o malas lecturas en los datos.

5. Conclusiones y discusiones

El periodo es el tiempo que tarda una partcula en volver a su estado

o posicin inicial, la frecuencia son

las repeticiones en un determinado

tiempo de una partcula y la

amplitud es el movimiento de dicha

partcula que llega a su punto

mximo.

Las ondas a alta frecuencia tienen mayor velocidad de propagacin

que las de baja frecuencia.

Los fenmenos ondulatorios son parte importante del mundo que nos

rodea. A travs de ondas nos llegan

los sonidos; se puede decir que a

travs de ondas recibimos casi toda

la informacin que poseemos.

Velocidad de Fase (m/s)

0,208

0,270

0,283

0,304

La frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda,

ya que a mayor frecuencia ah

menor longitud de onda y a mayor

longitud de onda menor frecuencia.

Cuando a una onda se le somete a un obstculo inmediatamente

presenta los fenmenos de reflexin

(choque con el obstculo) y

refaccin (pasar de un medio a

otro).

6. Referencias

Phet. Interactive simulatons. University

of Colorado Boulder. Direccin URL:

http://phet.colorado.edu/error/404;jsessi

onid=502FE92A3CCD523903C5633A

B6F69B6E [consulta: 9 septiembre

2015]

3B SCIENTIFIC PHYSICS. Rudorffweg 8. Direccin URL:

https://www.a3bs.com/product-

manual/U21910.pdf [consulta: 9 septiembre

2015]

Fsica con ordenador. Descripcin de la

propagacin. ngel Franco Garca.

Direccin URL:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/onda

s/descripcion/descripcion.html

[consulta: 10 septiembre 2015]

Fsica con ordenador. Movimiento

ondulatorio armnico. ngel Franco

Garca. Direccin URL:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/onda

s/ondaArmonica/ondasArmonicas.html

[consulta: 10 septiembre 2015]