Principio de Huygens en ondas de agua

LD
Hojas de
Física
Mecánica
Teoría ondulatoria
Propagación de ondas de agua
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El principio de Huygens
en ondas de agua
Objetivos del experimento
g Observación de la propagación de ondas de agua detrás de un borde (cambio de la dirección de propagación)
g Observación de la propagación de ondas de agua detrás de una rendija estrecha (generación de ondas circulares)
g Observación de la propagación de ondas de agua detrás de una rejilla (obtención de una onda rectilínea por interferencia de ondas circulares)
Fundamentos
Las siguientes ideas acerca de la propagación de las ondas
se deben a Christiaan Huygens.
Primero: 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.
Segundo: 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.
0606-Brn
En los experimentos del grupo temático “Interferencia con
ondas de agua” se explica la conexión (que le debemos a A.
Fresnet) entre el principio de interferencia y el de Huygens,
tendiente a explicar la difracción de ondas de agua en una
rendija o una rejilla.
Fig. 1
1
Principio de Huygens en ondas de agua (fotos)
Arriba: difracción de ondas rectilíneas en bordes
Medio: aparición de ondas circulares detrás de una rendija
estrecha
Abajo: obtención de una onda rectilínea por interferencia de
ondas circulares
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– Probar variar la profundidad de inmersión.
Materiales
– Observar el patrón de ondas detrás del obstáculo.
1 cubeta de ondas con estroboscopio a motor 401 501
– Variar la frecuencia, ajustar eventualmente la amplitud, y
observar los patrones de onda detrás del obstáculo.
además:
– Utilizar el estroboscopio para observar las ondas estacionarias.
detergente
c) Propagación de ondas detrás de una rejilla:
– Ubicar un obstáculo con 15 rendijas en la mitad de la
cubeta de ondas, exactamente debajo de la lámpara (ver
figura 4, abajo). Ubicar el generador de ondas a aproximadamente 10 cm del obstáculo y paralelo a éste.
Montaje
– Eventualmente, girar la placa del estroboscopio apartándola del paso de la luz, de manera que la hoja de vidrio
del fondo de la cubeta sea iluminada por completo.
El montaje del experimento se muestra en la figura 2.
- Ubicar la cubeta de ondas libre de perturbaciones, ate-
niéndose siempre a sus instrucciones de uso.
– Seleccionar una frecuencia de aproximadamente 20 Hz y
elevar con cuidado la amplitud de la excitación hasta que
se formen claros frentes de onda.
- Conectar el generador de ondas rectilíneas según muestra
la figura 3.
– Probar variar la profundidad de inmersión.
– Observar el patrón de ondas detrás del obstáculo.
Realización
– Variar la frecuencia, ajustar eventualmente la amplitud, y
observar los patrones de onda detrás del obstáculo.
a) Propagación de ondas detrás de los bordes:
– Ubicar el obstáculo con una rendija ancha (ver figura 4
arriba) en el medio de la cubeta de ondas, exactamente
debajo de la lámpara. Ubicar el generador de ondas a
aproximadamente 10 cm del obstáculo y paralelo a éste.
– Utilizar el estroboscopio para observar las ondas estacionarias.
– Girar la placa del estroboscopio con el tornillo de cabeza
moleteada (f) apartándola del paso de la luz, de manera
que la hoja de vidrio del fondo de la cubeta sea iluminada
por completo.
d) Propagación de un paquete de ondas detrás de los
obstáculos:
– Ubicar uno de los obstáculos como se describió recientemente.
– Seleccionar con la perilla (e) una frecuencia de aproximadamente 20 Hz y con la perilla (d) elevar con cuidado la
amplitud de la excitación hasta que se formen claros frentes de onda (ver instrucciones de uso para la cubeta de
ondas).
– Eventualmente girar la placa del estroboscopio apartándola del paso de la luz, girar la perilla de amplitud a fondo
hacia la izquierda. Cuidar que el generador de ondas tome contacto horizontal en toda su extensión con el agua.
– Presionar el botón del generador de ondas individuales (c).
– Cambiar la profundidad de inmersión con el tornillo de
ajuste (h).
– Observar el paquete de ondas detrás del obstáculo.
– Observar el patrón de ondas detrás del obstáculo.
– Para observar ondas estacionarias, conectar el estroboscopio mediante el interruptor (a), después de unos segundos de funcionamiento retocar, eventualmente, el
ajuste fino de la sincronización de la frecuencia de excitación y de la del estroboscopio con la perilla (b) hasta que
aparezca la imagen de las ondas estacionarias.
b) Propagación de ondas detrás de una rendija estrecha:
– Ubicar el obstáculo con la rendija ancha en la mitad de la
cubeta de ondas, exactamente debajo de la lámpara.
Achicar la rendija mediante las dos barras deslizantes de
manera que el ancho de la rendija sea menor a la longitud
de onda (ver figura 4, medio). Ubicar el generador de ondas a aproximadamente 10 cm del obstáculo y paralelo a
éste.
– Girar la placa del estroboscopio apartándola del paso de
la luz, de manera que la hoja de vidrio del fondo de la cubeta sea iluminada por completo.
– Seleccionar una frecuencia de aproximadamente 20 Hz y
elevar con cuidado la amplitud de la excitación hasta que
se formen claros frentes de onda.
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Ejemplo de medición
En la figura 1 se muestran tres fotos con ejemplos de
medición.
Resultados
a) Propagación de ondas contra un borde:
Las ondas se propagan detrás del obstáculo, no sólo en la
dirección original. Penetran también en la “sombra” de los
obstáculos como ondas circulares (difracción de las ondas
contra un borde).
Así, pareciera que los bordes fuesen centros de generación
puntuales de ondas circulares.
En el espacio de sombra, las ondas son notoriamente más
débiles que en la zona de propagación rectilínea. Las ondas
largas muestran la difracción contra un borde con más
claridad que las cortas.
b) Propagación de ondas detrás de una rendija estrecha:
Las ondas se propagan detrás de la rendija no sólo en la
dirección original, sino en forma de ondas semicirculares en
todas las direcciones (difracción de las ondas en una
rendija).
Cuanto más angosta sea la rendija en comparación con la
longitud de onda, más claramente se podrá observar la
difracción.
Así, pareciera que la rendija fuese un centro puntual de
generación de ondas circulares.
Dado que se puede llevar la rendija a cualquier parte de una
onda que se dirija hacia el obstáculo, se considera cada
punto de una onda según el principio de Huygens, como
punto de partida de una nueva onda (onda elemental).
c) Propagación de ondas detrás de una rejilla:
Cada rendija de la rejilla produce una onda circular que
puede ser considerada como una onda elemental. Las ondas
circulares penetran y se interfieren mutuamente. Así es como
se generan otra vez nuevos frentes de onda. Según el
segundo principio de Huygens puede concebirse el nuevo
frente de ondas como la envolvente de las ondas
elementales.
Fig. 2
Montaje del experimento sobre el principio de Huygens
a interruptor del estroboscopio
b perilla (ajuste fino de la frecuencia del estroboscopio)
c botón (generación de ondas individuales)
d perilla (selección de amplitud para la generación de ondas)
e perilla (ajuste fino de la excitación de ondas)
f tornillo de cabeza moleteada (giro manual de la placa del
estroboscopio)
Fig. 3
Conexión del generador de ondas rectilíneas
h tornillo de ajuste (selección de la profundidad de inmersión)
Fig. 4
Obstáculos (vistos desde el generador)
Arriba: ancho grande de la rendija
Medio: ancho pequeño de la rendija
Abajo: rejilla
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