Física B - Relatorio Cuba de Ondas

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Cuba de ondas (data: 05/04/2022)
Física B – Prática – 2022.1GRDEELDIU|GRD-NRG-0109 – Subturma T1
Professor: Fábio de Oliveira Paiva
Felipe Cauã Ribeiro Pardo Casas - felipe.casas@ba.estudante.senai.br
Giulia Santos Soares – giulia.soares@ba.estudante.senai.br
Gustavo Andrade Souza – gustavo.souza@aln.senaicimatec.edu.br
Herbert Ferreira Azevedo – herbert.azevedo@aln.senaicimatec.edu.br
Lucas Andrade Mattos – lucas.mattos@aln.senaicimatec.edu.br
Paloma Amancio Oliveira Sacramento – paloma.sacramento@aln.senaicimatec.edu.br
Resumo
Em Física, a onda é uma perturbação que se propaga no meio mediantes a um intervalo
de tempo onde a velocidade é diretamente proporcional ao comprimento de onda e a
frequência. A prática teve como objetivo a formação de ondas bidimensionais sob a
ação de um gerador de abalos em uma cuba. A partir do experimento foi possível
utilizar a cuba de ondas para gerar algumas situações de formação de ondas e observar
os princípios da ondulatória. Ao término corroborou e constatou os fenômenos
ondulatórios, além de calcular o fator de ampliação e o comprimento de onda.
Concluindo assim os objetivos do experimento.
Objetivos
A prática visou observar a formação de ondas bidimensionais em uma superfície
líquida, bem como verificar suas criações a partir de uma fonte. Ademais, reitera-se a
necessidade de reconhecer e diferenciar a propagação de ondas planas e circulares,
determinar o fator de ampliação da imagem, medir o comprimento e a velocidade e, por
fim, observar os fenômenos de reflexão, interferência e difração de ondas na água.
Introdução teórica
Em Física, o movimento ondulatório causa a formação de ondas que são
caracterizadas por perturbações periódicas no espaço, mediantes a um intervalo de
tempo, cuja velocidade pode ser descrita pela equação 01, em que o primeiro termo é a
velocidade é diretamente proporcional ao comprimento de onda e a frequência, sendo
que a frequência é o inverso do período, como pode ser visto na equação 02 .1
(1)𝑉 = λ. 𝑓
(2)𝑓 = 1𝑇
Essas oscilações caracterizam o comprimento de onda, enquanto o tempo de
oscilação completa é denominado de período.1 Portanto, por meio das imagens
projetadas, foi analisado os fenômenos de: refração, reflexão, difração e interferência.1
No entanto, a reflexão ocorre quando o pulso incidente se encontra com uma
barreira refletora, não permitindo a passagem da onda por aquele meio, assim o pulso
tende a se afastar da barreira, isso pode ser visto na figura 1.1
Figura 1 - Esquema de reflexão
A difração é quando uma barreira refletora, com uma pequena fresta, encontra-se
no meio do caminho de propagação de uma onda. Assim, quando ela passa por esse
espaço reduzido ocorre o fenômeno da difração, mudando a geometria da onda e
provocando o espalhamento dela. Isso ocorre porque a onda contorna ao se deparar com
o obstáculo, pode ser visto na figura 2.1
Figura 2 - Esquema de difração
A interferência ocorre quando duas ondas se encontram no mesmo ponto do
espaço. Para oscilações de mesmo comprimento de onda, as interferências podem ser
construtivas (quando as fases são as mesmas), ou destrutivas (quando as fases são
diferentes). Isso pode ser visto na figura 3.1
Figura 3 - Esquema de interferências de ondas
Materiais
A prática 03 foi realizada no laboratório de física, no Centro Universitário SENAI
CIMATEC. Os materiais utilizados foram listados abaixo:
● 1 Mesa monobloco multifuncional em aço – EQ015.28;
● 3 Hastes médias com fixador – EQ017O;
● 2 Hastes de 500 mm com fixador M5 – EQ017Q;
● 1 Barreira curva – EQ015.27;
● 1 Barreira reta média – EQ015.25;
● 1 Barreira reta maior – EQ015.26;
● 1 Iluminador de luz fria e estrobroflash – EQ220.13;
● 1 Cabo com conectores RCA macho – EQ040.20;
● 1 Cuba transparente – EQ231.02;
● 1 Tripé universal – EQ017A;
● 1 Gerador de abalos – EQ220.30;
● 1 Ponteira esférica – EQ015.22M;
● 1 Pipeta pasteur, graduada, 3 mL e 150 mm – 20593.150;
● 1 Seringa descartável 60 mL com bico cateter – 20893.060;
● 1 Nível bolha – 29901.020;
● 250 mL de água destilada com uma gota de detergente tensoativo biodegradável.
Procedimento Experimental
Foi feita a montagem de uma cuba em superfície horizontal, e adicionou-se água
para que pudesse ser feito e observado a propagação de ondas, estando conectado a um
retroprojetor unido ao gerador de ondas. A luz do ambiente foi apagada para que se
conseguisse reparar a formação de ondas que foi feita a partir do uso da pipeta, utilizada
para pingar uma gota na superfície da água e depois realizou-se esse processo
novamente de forma contínua para mais análises.
Com os equipamentos funcionando, acionou-se o gerador de ondas com uma
frequência de 15 Hz, e amplitude 2, com uma ponteira esférica na extremidade, foi
observado seus efeitos. Utilizando a mesma ponteira, foi feito o experimento novamente
para observar seus efeitos com novas frequências de 20, 25 e 30 Hz.
Após isso, a ponteira esférica foi trocada por uma barreira reta e reproduziu-se o
mesmo procedimento feito anteriormente, gerando novos registros. Depois,
acrescentou-se uma barreira de 80 mm e mediu-se a imagem projetada na superfície da
mesa para a originação da ampliação. Em seguida, foi feito a medição da velocidade de
propagação das ondas, onde removeu-se a barreira, ligou-se o gerador de ondas em 25
Hz, acionou-se o retroprojetor em conjunto da luz no modo pulsante e determinou o
comprimento de onda por meio da distância e do número de raios de ondas. Depois, foi
feito o mesmo procedimento para as frequências de 20, 25 e 30 Hz.
Prosseguindo, notou-se as ondas em reflexão por meio da barreira média
colocada dentro da cuba nas frequências de 20 e 25 Hz e logo depois foi feito o mesmo
procedimento com a barreira curva. Posteriormente, foi verificado as difrações,
analisando o movimento das ondas ao atingirem a barreira com as frequências
anteriores. Finalizando, foi adicionado duas barreiras retas alinhadas com uma distância
entre elas de 10 mm, notando como as ondas comportaram-se com as alterações de
largura e tendo uma fenda.
Resultados e Discussões
Parte A
Na primeira parte do experimento, quando pipetou-se uma gota no equipamento
Ripple Tank, ou cuba de ondas, foi observado a formação de uma onda com cristas que
foi possível observar a partir de círculos claros, e os vales que são observados a partir de
círculos escuros, tendo assim uma geração rápida da mesma. Quando adicionou-se mais
gotas houve a formação de ondas em sequência com uma pequena pausa de formação.
Isso se dá ao fato de ter ocorrido uma perturbação ondulatória através do gotejamento
de um meio que estava em repouso, havendo assim a criação de ondas. Além disso, as
cristas atuavam como lentes convergentes, enquanto os vales como lentes divergentes, o
que tornava possível sua identificação por meio da diferença de luminosidade.
Com a ponteira esférica, utilizou-se as frequências de 15 Hz, 20 Hz, 25 Hz e 30
Hz para que houvesse a formação de ondas, e foi possível perceber que ao aumentar a
frequência há um aumento da velocidade de formação de ondas, isso é visto na equação
1. A velocidade de formação é diretamente proporcional ao comprimento de onda, e
frequência. Ao depender do meio que esteja o mesmo procedimento pode ter diferentes
velocidades de geração das ondas. Com a ponteira reta, houve a geração desse
movimento ondulatório com ondas carasteriscamente “ovais”, sendo assim foi possível
observar que com o aumento da frequência, aumenta a velocidade de formação de
ondas, e consequentemente tem uma maior a amplitude. Porém, ao ter esse aumento é
visto que há uma diminuição do tempo de oscilação da onda.
Parte B
Em um segundo momento do experimento, ao colocar a barreira reta de 80 mm
sobre a cuba de água, vale salientar que a imagem que é refletida na mesa é uma
ampliação da imagem da realidade. Então, é necessário determinar o fator de ampliação
(𝐹𝐴) da imagem da barreira projetada na bancada usandoa equação 3. Ao aferir o
comprimento da imagem da tela obteve-se o valor de 17 cm³, obtendo assim um fator
de ampliação de 0,4706. Ou seja, a imagem que está na mesa está 0,4706 maior que a
realidade.
(3)𝐹
𝐴
= 80𝑋
1
Parte C
Na tabela 1 estão apresentados os dados coletados durante o experimento, com
os valores para os resultados para uma frequência de 20 Hz
Tabela 1- Resultados para uma frequência de 20 Hz
𝑓 (𝐻𝑧) 𝑑 (𝑚𝑚) 𝐹𝐴 λ (𝑚𝑚) 𝑛
(20, 00 ± 0, 01) (100, 0 ± 0, 5) 0, 47 (9, 4 ± 0, 5) 5
Fonte: Própria
Na tabela 2 estão apresentados os dados coletados durante o experimento, com
os valores para os resultados para uma frequência de 25 Hz.
Tabela 2- Resultados para uma frequência de 25 Hz
𝑓 (𝐻𝑧) 𝑑 (𝑚𝑚) 𝐹𝐴 λ (𝑚𝑚) 𝑛
(25, 00 ± 0, 01) (95, 0 ± 0, 5) 0, 47 (9, 0 ± 0, 5) 5
Fonte: Própria
Na tabela 3 estão apresentados os dados coletados durante o experimento, com
os valores para os resultados para uma frequência de 30 Hz.
Tabela 3- Resultados para uma frequência de 30 Hz.
𝑓 (𝐻𝑧) 𝑑 (𝑚𝑚) 𝐹𝐴 λ (𝑚𝑚) 𝑛
(30, 00 ± 0, 01) (68, 0 ± 0, 5) 0, 47 (6, 4 ± 0, 5) 5
Fonte: Própria
A partir dos cálculos com os valores de d e N, sendo N um valor constante para
todas as frequências, medidos no experimento e com o fator ampliação calculado a
partir do comprimento da barreira, foi possível calcular o comprimento de onda para 3
frequências diferentes, onde os valores seguiram um padrão crescente com as primeiras
frequências (20 Hz e 25 Hz) e com a última frequência(30 Hz) o valor foi menor do que
o valor da segunda e maior que o valor da primeira.
A velocidade de propagação muda quando a frequência é alterada, pois cada
frequência vai proporcionar um comprimento de onda diferente, o que faz com que os
valores das velocidades de propagação mudem com a alteração da frequência.
Parte D
As ondas que incidiram na barreira reta vão bater e voltar como ondas retilíneas,
sem sofrer nenhum desvio, já as ondas que incidiram na barreira curva vão bater
sofrendo um desvio e vão voltar no formato circular.
Parte E
Observando as ondas quando atingem a barreira reta, percebe-se que ocorre um
encurvamento das ondas em torno da barreira. Elas sofrem difração, um pequeno desvio
na direção de propagação, contornando o obstáculo, com o formato circular e assim
ocupam o espaço onde não haveria propagação das mesmas se elas apresentassem
apenas uma propagação retilínea.
Ao colocar as duas barreiras retas médias a uma distância de ( mm)10, 0 ± 0, 5
uma da outra e a ( mm ) da ponteira reta, criou-se uma fenda, que ao60, 0 ± 0, 5
analisar as ondas que passam por essa fenda, observou que elas se propagam em
formato circular. Ao aumentar a abertura da fenda foi possível observar que o
comportamento circular da onda diminui. Com isso, o tamanho da fenda em relação ao
comprimento de onda influência na ocorrência do fenômeno, assim, os efeitos da
difração podem ser mais ou menos acentuados de acordo com as dimensões da fenda.
Ajustando a distância da fenda foi possível observar também que haviam direções onde
existia interferência destrutiva, nesse caso a dimensão da fenda é muito menor que o
comprimento da onda.
Conclusões
A partir do experimento realizado pôde-se analisar os fenômenos das ondas em
virtude de cada situação pré estabelecida, isto é, as partes A,B,C,D,E. Com isso, foi
possível determinar as diferenças observadas com frequências distintas e como esse
fator influencia o sistema. Neste caso, percebe-se que quanto maior a frequência
aplicada no plano de experimento, maior será a velocidade. O mesmo acontecerá com a
amplitude. Outrossim, foi possível compreender as diferenças entre os fenômenos de
reflexão, interferência e difração das ondas na água, o que reitera a importância de
estudar de maneira aprofundada cada situação em diferentes meios e, sobretudo,
relacioná-las com a proposta de cada projeto. Desse modo, o experimento foi realizado
com êxito.
Referências
[1] HALLIDAY & RESNICK. Fundamentos da Física - Ondas. Volume 2, Editora
LTC, São Paulo, SP, 2016.
[2] RANDALL D. KNIGHT. Física: uma abordagem estratégica- Óptica. Volume 2,
2ª Edição, Editora Bookman, São Paulo, SP, 2009.