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CCT – Centro de Ciência e Tecnologia. LCFIS – Laboratório de Ciências Físicas. Propagação de Ondas em uma Cuba de Ondas. Campos dos Goytacazes, 25 de novembro de 2010. Juraci Aparecido Sampaio Nota 9,5 Juraci Aparecido Sampaio Juraci Aparecido Sampaio Experimento: Propagação de Ondas em uma Cuba de Ondas. Disciplinas: Laboratório de Física Geral III. Docente: Juraci Aparecido Sampaio. Turma: C (Quinta-feira, 18 horas) Discente: Davi de Jesus Chagas. Curso: Engenharia Civil. Índice 1. Objetivo--------------------------------------------------------------------------- 3 2. Introdução------------------------------------------------------------------------ 3 3. Fundamentos Teóricos------------------------------------------------------- 4 4. Procedimento Experimental------------------------------------------------- 12 5. Resultados e Discussões.----------------------------------------------------13 6. Conclusão------------------------------------------------------------------------ 21 7. Referências Bibliográficas---------------------------------------------------- 22 Propagação de Ondas em uma Cuba de Ondas 1. Objetivo. Identificar e caracterizar ondas em duas dimensões, sejam elas circulares (originadas a partir de uma fonte puntiforme) ou planas (originadas a partir de uma lâmina retilínea), bem como alguns fenômenos recorrentes a ondas como reflexão (mudança da direção de propagação da onda devido a presença de um anteparo colocado na cuba de ondas), difração (passagem da onda por um orifício, ou contorno de um objeto pela onda) e interferência de duas fontes geradoras de ondas na propagação das mesmas. 2. Introdução. O advento da teoria ondulatória teve relevante papel na compreensão de fenômenos e mecanismos que não podem ser entendidos a partir da física clássica.Um bom exemplo, que caracteriza importantes propriedades das ondas, é o de um passageiro sentado em uma estação ferroviária, esperando a chegada do seu trem, a fim de embarcar. Ele pode perceber a chegada do trem mesmo de olhos fechados: um pequeno tremor passa pelos seus pés, o som do motor e os ruídos do atrito das rodas com os trilhos atingem seus ouvidos. Esses sinais correspondem a propagação de energia pelo solo (tremor) e pelo ar (som), porém sem arrastar o meio em que se propaga. Um outro exemplo para este fenômeno ocorre ao lançarmos uma pedra em uma superfície com água (um lago, ou piscina por exemplo) e vemos os objetos que flutuam serem atingidos pela oscilação, porém sem serem carregados. Ou seja, desses dois exemplos, podemos retirar uma das principais características das ondas: transporte de energia sem envolver transporte de matéria [1]. Neste experimento analisaremos o comportamento de ondas bidimensionais na superfície da água de uma cuba de ondas. Estas ondas podem ser geradas por uma fonte puntiforme (que gera ondas em forma de círculos concêntricos, em que cada círculo é uma frente de onda) ou por uma lâmina retilínea (que gera ondas em forma de segmentos de reta, análogas a uma onda plana) [2]. Esse experimento, através de um aparato de equipamentos simples, todavia bem elaborado, permite um aprendizado facilitado por parte do aluno, pois suprime as abstrações e imposições de leis que muitas vezes são feitas sem nenhum suporte prático. Demonstra ainda de maneira clara e perfeita os tipos de ondas que podem existir em meios líquidos (ondas circulares e ondas retas), os tipos de interferência que uma onda pode sofrer: reflexão e difração (demonstração da capacidade da onda em contornar os obstáculos e demonstração do comportamento de uma fenda como fonte de ondas) [3]. 3. Fundamentos Teóricos. Uma onda é uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e periódica no tempo que como já visto pode transportar energia porém não pode transportar matéria. Sendo assim, podem ser classificadas de acordo com sua natureza em ondas mecânicas (necessitam de um meio material para se propagar, por exemplo, as ondas sonoras) e ondas eletromagnéticas (não necessitam de um meio material para se propagar, podendo prapagarem-se no vácuo, por exemplo, a luz). As ondas também podem ser classificadas de acordo com a sua direção de propagação em unidimensionais (propagam-se em uma única direção, por exemplo, ondas numa corda), bidimensionais (propagam-se num plano, exemplo ondas na superfície de um lago) e tridimensionais (propagam-se em todas as direções, por exemplo, ondas sonoras no ar atmosférico). Quanto a sua direção de vibração as ondas podem ser classificadas em transversais (as vibrações são perpendiculares a direção de propagação, por exemplo, onda em uma corda) e longitudinais (as vibrações coincidem com a direção de propagação, por exemplo, ondas em uma mola). Ao gerarmos uma perturbação num meio líquido, a sua superfície livre se ondula e se propaga ao longo do plano determinado por ela. Os raios luminosos, provenientes da lâmpada, ao encontrar uma superfície curva irão convergir ou divergir nestas lentes formadas pelas cristas e ventres da onda que se propaga na água. As cristas funcionam como lentes convergentes, gerando as regiões claras, enquanto que os vales como lentes divergentes, gerando as regiões escuras, quando projetadas em um anteparo. O comprimento de onda é dado pela distância entre dois pontos claros (ou escuros). Quando observamos as ondas na água pela parede lateral de um aquário, elas apresentam uma forma como vista na Figura 3.1. A parte superior da onda é denominada crista e a parte inferior, depressão ou vale. A distância entre duas cristas ou dois vales é igual ao comprimento de onda, conforme Figura 3.2. Figura 3.1: Representação de Ondas na Água. Figura 3.2: Representação Esquemática de uma Onda (Comprimento , Crista e Vale) As regiões claras da superfície da água são caracterizadas como cristas que atuam com lentes convergentes e tendem a focalizar a luz e as escuras como vales (Figura 3.1) que atuam como lentes divergentes e tendem a dispersar a luz. Estas regiões podem ser projetadas na parede utilizando um retroprojetor. Tocando levemente a superfície da água com uma régua, você vai obter ondas retas (planas). Uma onda de pequena duração é denominada pulso, no caso de ondas retas (planas), um pulso reto. O movimento do pulso reto é tal que se mantém paralelo à linha que indica a sua posição original (Figura 3.3). A direção e o sentido estão indicados pela seta. O comprimento de onda está indicado na Figura 3.3 e, que é medido como a distância entre dois pulsos adjacentes quaisquer. Figura 3.3: Formação de um pulso reto Figura 3.4: Direção de propagação e comprimento de onda plana. As regiões claras da superfície da água são caracterizadas como cristas que atuam com lentes convergentes e tendem a focalizar a luz e as escuras como vales (Figura 3.1, 3.3 e 3.5) que atuam como lentes divergentes e tendem a dispersar a luz. O comprimento de onda vai ser a medida considerada de crista a crista ou vale a vale (Figura 3.1, 3.3 e 3.5). Quando você atira uma pedra na água, aparece uma configuração circular na água quese estende a partir do ponto de impacto (Figura 3.5). Uma perturbação desse tipo se denomina onda circular. Essa onda, do tipo circular (esférica), movimenta-se apenas na superfície da água. A Figura 3.5 mostra um pulso circular e em seguida o mesmo pulso. A direção e o sentido de propagação estão indicados pela seta na Figura 3.6. Observe que a direção de propagação é radial e o sentido é de dentro para fora do círculo. Juraci Aparecido Sampaio Figura 3.5: Representação de ondas circulares na água Figura 3.6: Direção de propagação e comprimento de onda. O gerador de pulsos emite uma quantidade de pulsos sucessivos, em intervalos de tempo iguais a T. Quando o gerador de pulsos faz isso, repete seu movimento uma vez em cada intervalo de tempo T. Tal movimento se denomina periódico, e o intervalo de tempo, período. As ondas assim produzidas são denominadas ondas periódicas. A quantidade de vezes que este movimento se repete na unidade de tempo é a freqüência, f. Como conseqüência das definições de período e freqüência temos que a freqüência é o inverso do período e vice-versa: f= 1/ T ou T = 1/f Unidade de freqüência – SI: U (f) = 1 ciclo / s = 1 hertz (1 Hz). A velocidade v da frente de onda é constante para cada meio e é dada pelo produto da freqüência, f, pelo comprimento de onda, ou seja:V = f Como f = 1 / T, obtemos também a relação: V = / T. Pela lei da reflexão da luz temos que o ângulo de incidência, i, é igual ao ângulo de reflexão, r (Figura 3.7). Figura 3.7: Lei da reflexão: i = r O comportamento de uma frente de ondas quando esta incide sobre uma barreira é análogo ao do raio da luz em uma superfície polida. Quando a frente de ondas incide em uma direção à barreira que é colocada inclinada em relação à cuba, ela é refletida em uma direção diferente tal que o ângulo da frente de onda que se aproxima da barreira é igual ao ângulo em que a frente de onda reflete (Figura 3.8). Figura 3.8: Reflexão de Ondas. A Figura 3.8 mostra que os raios de luz, incidentes e refletidos, são perpendiculares às frentes de onda, além disso observa-se que a onda refletida tem o mesmo ângulo que a onda incidente.Medindo os ângulos r e i na cuba de ondas, podemos demonstrar a lei da reflexão. Contrariando o princípio da propagação retilínea da luz, a luz tem a propriedade de contornar obstáculos colocados em sua trajetória. Este fenômeno é conhecido como difração da luz. Iluminando com um feixe de luz de raios paralelos e monocromático (de uma só cor) um pedaço de papelão por exemplo no qual há uma fenda. Se a fenda é larga será projetada na tela uma tira luminosa de contornos bem definidos. Ao estreitar a fenda, a tira luminosa irá se alargar ao invés de diminuir. A luz invade a região de sombra. Quanto mais estreita for a fenda mais acentuado será o efeito. A luz, ao passar por orifícios muito pequenos (por exemplo um orifício feito com um alfinete em um cartão), sofre difração. Observa-se nesta figura que a luz se espalha apresentando uma mancha luminosa bem maior que orifício. Para simular a difração em uma cuba de ondas, colocamos duas barreiras retilíneas na cuba, deixando uma pequena abertura entre elas, d (Figura 3.10). Utilizando um gerador de ondas retas, quando uma onda reta periódica de comprimento de onda atravessa a abertura d (Figura 3.10), observa-se que a onda fica curvada nos lados da abertura. A curvatura sofrida pelas frentes de ondas retas ao passarem por um obstáculo ou por uma abertura é devido ao fenômeno da difração. Figura 3.9: Difração em uma cuba de ondas. Figura 3.10: Difração de uma onda plana. As ondas são fortemente difratadas quando o comprimento de onda é da ordem da abertura, d. Quando << d, verifica-se experimentalmente, que menor será o efeito da difração, ou seja, se o comprimento de onda for muito menor que a largura do orifício, d, a onda praticamente não se difrata. T. Young (1773 - 1829) foi quem, pela primeira vez, comprovou que há interferência da luz quando dois feixes luminosos se cruzam. O esquema utilizado por Young está mostrado nas Figura 3.11 e Figura 3.12. Figura 3.11: Esquemas de montagem de Young para interferência Figura 3.11: Esquemas de montagem de Young para interferência Na Figura 3.11 tem-se que a luz emitida por uma fonte de luz atravessa um pequeno orifício, difratando. Na frente desta onda há dois orifícios F1 e F2 fazendo com que a onda novamente seja difratada. As ondas luminosas assim obtidas se superpõem, originando uma figura de interferência. No anteparo obtém-se regiões claras e escuras. As regiões claras são aquelas em que dois vales ou duas cristas se superpõem. Temos neste caso uma interferência construtiva (Figura 3.12) Figura 3.12: Interferência construtiva As regiões escuras são aquelas em que um vale e uma crista se superpõem. Neste caso temos uma interferência destrutiva (Figura 3.13). Figura 3.13: Interferência destrutiva. Para analisar a interferência em uma cuba de ondas vamos considerar duas fontes pontuais separadas por uma distância d que geram pulsos circulares com a mesma freqüência. Como cada fonte produz uma crista no mesmo instante, dizemos que as fontes estão em fase (Figura 3.14). Figura 3.14: Duas fontes pontuais em uma cuba gerando pulsos circulares As fontes, sendo periódicas, fazem com que as cristas estejam sempre separadas de uma mesma distância, que é o comprimento de onda, . Quando duas ondas se superpõem pode ocorrer: duas cristas (uma de cada fonte), ao se interceptarem, formam uma crista dupla, produzindo regiões brilhantes sobre o anteparo; ou duas depressões (uma de cada fonte) se interceptando e produzindo regiões escuras sobre o anteparo. Uma crista procedente de uma fonte encontra uma depressão procedente da outra, produz uma região em que não há deslocamento (a água permanece imóvel) e sobre o anteparo aparecerá uma região cinzenta. 4. Procedimento Experimental. O experimento, ocorrida na noite do dia 08 de novembro de 2010, foi conduzido pelo professor, através de uma aula demonstrativa e prática a cerca do assunto. Para tal, o aparato para realização deste experimento é constituído dos seguintes materiais: 01 retroprojetor CIDEPE, 01 uma cuba de ondas para retroprojetor CIDEPE, 01 gerador de abalos (fonte geradora de ondas), 01 conta gotas e anteparos de metal, de formatos variados. Estes materiais podem ser vistos na Figura 4.1. Juraci Aparecido Sampaio Figura 4.1: Equipamentos utilizados no experimento. Com a sala (laboratório) fechada, luz apagada para facilitar a visualização, e equipamentos previamente montados (cuba de ondas contendo água sobre o retroprojetor e demais equipamentos ligados a rede elétrica) o experimento foi iniciado com a perturbação do meio (água) com a adição de água na cuba através do conta-gotas. A uma distância de aproximadamente10 cm o professor deixava cair do conta-gotas gotículas de água, utilizando-o como uma fonte puntiforme gerando ondas bidimensionais circulares. Todo procedimento experimental foi projetado em uma parede aumentando e facilitando a visualização. Após algumas orientações, o passo seguinte do experimento foi analisar o que ocorre quando se tem uma fonte vibrando a uma determinada freqüência de amplitude, em quatro situações: sem anteparo, com anteparo, com anteparo formando ângulo de 45º em relação a sua posição iniciale com um anteparo semicircular. Ao término das análises de reflexão, foi avaliada a difração. Com a frequência ajustada para seu valor máximo, colocou-se dois anteparos afastados primeiramente por uma distância maior que 5 cm e posteriormente por uma distância menor que 0.5 cm. Logo após fixou-se a distância entre os anteparos em 3cm e variou-se a frequência. Encerrando o experimento, a frequência foi novamente ajustada para seu valor máximo e foram ligadas duas fontes geradoras de ondas na cuba a fim de avaliar interferências construtivas e destrutivas do movimento ondulatório. 5. Resultados e Discussões. Sete questões foram propostas pelo professor a respeito do experimento: I. Inicialmente vamos deixar cair uma gota de água, sobre a superfície da água na cuba, e depois compassadamente, outras gotas serão liberadas. Como essas ondas na superfície da água estão relacionadas à música e ao som? A música e o som são ondas sonoras e possuem natureza mecânica assim como as ondas geradas pela queda de gotas em uma superfície líquida, pois em ambos os casos (ondas sonoras e ondas em superfícies líquidas) é necessário que haja um meio material para sua propagação. Outra semelhança é o fato de ambas ao incidirem em um meio de características diferentes, refletem e voltam a se propagar no meio inicial interferindo de forma construtiva ou destrutiva nas ondas incidentes. No entanto essas ondas diferem quanto a direção de propagação, as ondas na superfície da água são ondas bidirecionais, portanto propagam-se em um plano, já as ondas sonoras são ondas tridimensionais e propagam-se no espaço. II. Como você determinaria a velocidade da onda nesse meio? A velocidade de propagação pode ser obtida através do produto entre a freqüência (f) e o comprimento de onda (), logo V = .f. Como o valor da freqüência pode ser facilmente observado e mantido fixo, bas ta encontrar o comprimento de onda, o que pode ser feito usando uma escala embaixo da cuba ou medindo na projeção feita na parede o intervalo entre duas pontos claros ou escuros. III. Qual é o tipo de frente de ondas que são produzidos pelas gotas que caem na superfície da água? Porque elas possuem essa forma e não outra forma? Quando gotas caem na superfície da água são produzidas frente de ondas circular e mecânica. Essas ondas possuem essa forma devido ao fato de gotas caindo em uma superfície de água caracterizarem-se como uma fonte puntiforme, que por estar em plano (bidimensional) causam uma propagação de onda circular (Figura 5.1). Juraci Aparecido Sampaio Figura 5.1: Simulação de uma fonte puntiforme gerando frente de ondas circulares que sofrem reflexão ao chocar-se com a borda da cuba de ondas [4]. IV. Agora teremos uma fonte vibrando a uma determinada freqüência e amplitude. Veja nas próximas figuras. (a) Qual é o ângulo de propagação das frentes de ondas na situação em que não há nenhum obstáculo? Quando uma fonte está vibrando a uma determinada freqüência e amplitude, sem a presença de nenhum obstáculo, o ângulo de propagação das frentes de ondas, no sentido de cima para baixo, é nulo, ou seja, = 0º (Figura 5.2 e Figura 5.3). Figura 5.2: Frente de ondas sem a presença de nenhum obstáculo. Figura 5.3: Simulação de uma frente de ondas retas [4]. (b) O que você observa quando é colocado um anteparo? Observa-se que as ondas refletem ao encontrar um obstáculo, e ao incidirem, podem causar interferências construtivas ou destrutivas (Figura 5.4 e Figura 5.5). É interessante observar também que o obstáculo (anteparo) comporta-se como um espelho plano. Figura 5.4: Frentes de ondas com a presença de um obstáculo inserido. Figura 5.5: Simulação de ondas retas refletidas por obstáculo reto posicionado paralelo à frente de onda. (c ) Agora o que ocorre quando esse obstáculo forma um ângulo (=45º)? Há alguma região em que as ondas são estacionárias? O que é a separação entre as linhas claras e escuras na onda estacionária? Sim, sabendo-se que ondas estacionárias são ondas resultantes da superposição de duas ondas de mesma freqüência, mesma amplitude, mesmo comprimento de onda, mesma direção e sentidos opostos, pode-se que existem ondas estacionarias resultantes da superposição das ondas incidentes com as refletidas. A separação entre as linhas claras e as linhas escuras são chamadas de nó da onda estacionária (Figura5.6). Figura 5.6: Simulação de ndas refletidas por um obstáculo resto, inclinado a 45º, gerando ondas estacionárias. V. Agora colocamos um refletor curvado. O que você observa? Pode-se observar que o refletor curvado comporta-se como uma lente ou espelho convergente e que a onda ao refletir adquire o formato do obstáculo, convergindo para o foco que passa a comportar-se como uma fonte de propagação de ondas (Figura 5.7). Figura 5.7: Simulação de ondas ao encontrar um obstáculo curvo. VI. Agora vamos estudar a difração. A freqüência neste caso será ajustada para o seu valor máximo. Vamos inicialmente colocar dois anteparos separados por: (a) Uma distância > (maior) que 5 cm; (b) Uma distância < (menor) que 0.5 cm. Em que situação a fenda se comporta próximo de uma fonte pontual? Em que situação a fenda se comporta como uma fonte de ondas planas? Figura 5.8: Fenda com uma distância > 5cm Figura 5.9: Fenda com distância menor que 0.5 cm Quando a distância é > 5 cm, comporta-se como fonte de ondas planas Quando a distância é menor que 0.5cm a fenda comporta-se como uma fonte pontual. Para avaliar a difração deve-se levar em conta o comprimento da onda () e distãncia entre as fendas (d), de forma que: < d : a onda permanece a se propagar de forma plana, ou seja, não ocorre difração; = d : ocorre pequena difração; > d : Ocorre difração, a fenda funciona como uma fonte pontual (c ) Agora a fenda terá uma distância de 3 cm e vamos variar a freqüência das ondas incidentes. Pergunta-se qual freqüência (alta ou baixa) que faz com que as ondas se espalhem mais ao passar pela fenda? Quando se diminui a freqüência (f), o comprimento de onda () aumenta e há difração, pois d é constante. Quando se aumenta a freqüência(f), o comprimento de onda () diminui e não há difração, há comportamento de onda plana. A onda se espalha mais em freqüências maiores. Na verdade, a mudança de comportamento está intimamente ligada ao fato de o comprimento de onda ser da mesma ordem de grandeza ou não da largura da fenda. (d) Quando dizemos “largo” e “estreito” para distinguir dois comportamentos nas situações (a) e (b), que tamanhos estamos comparando a ele? O comprimento de onda () e o tamanho da fenda (d) são os valores de referência. VII. Para finalizar nosso experimento vamos agora estudar a interferência de duas fontes. A freqüência é ajustada para seu valor máximo. Faça o esboço do que é observado. Anote no desenho com um C o lugar em que é observada uma região Construtiva e com um D em que é observada uma região destrutiva. A diferença do caminho percorrido L é a diferença na distância de um qualquer ponto até cada uma das fontes. (a) o que é L ao longo da linha pontilhada? (b) o que deve ser L, em termos de comprimento de onda, para a interferência construtiva? Coloque no seu esboço qual deve ser o L apropriado para cada região C.Faça o mesmo para a região D. (c) o que acontece nas regiões C e D e porque? Em particular, o que ocorre quando a fase é 180º? Juraci Aparecido Sampaio Figura 5.10: Simulação de interferência de duas fontes Nos pontos onde as cristas de cada fonte se superpõem, há uma interferência construtiva. Nestes pontos, os percursos das ondas, medidos a partir de cada fonte, ou têm o mesmo comprimento ou diferem por um número inteiro de comprimentos de onda. As retas tracejadas mostram os pontos eqüidistantes das fontes ou aqueles onde a diferença de percurso é de um, ou dois ou mais comprimentos de onda. Entre cada par de máximos de interferência sucessivos, há um mínimo de interferência, onde a diferença de percurso é numero impar de meio comprimento de onda (Figura 3.14). As retas sobre as quais as ondas se cancelam mutuamente são retas nodais [2] Nos pontos em que a diferença de percurso é um número inteiro de comprimentos de onda, a interferência é destrutiva, pois as ondas tinham a diferença de fase inicial 180°. Nos pontos onde a diferença de percurso é de número ímpar de comprimento de onda, as ondas estão em fase, em virtude da diferença de fase inicial de 180°. 6. Conclusão Este experimento possibilitou maior compreensão a respeito do comportamento das ondas quando submetidas a diversas situações. A simplificação deste assunto, as vezes considerado de elevado grau de dificuldade, resultou da analogia que se pode fazer entre as frentes de ondas provocadas por um fonte em uma cuba de água os mecanismos dos raios da luz. Pode-se através deste experimento verificar diversas propriedades das ondas, tais como classificação quanto a sua natureza, direção de propagação, diferenciação das ondas numa cuba de outros tipos de ondas, determinação de sua velocidade, análise dos tipos de frentes de ondas e como elas são formadas. Outra parte deste experimento foi a análise de fenômenos relacionados as ondas, tais como reflexão, difração e interferência de duas fontes de ondas. Os resultados obtidos e conclusões as quais se pode chegar através da realização do experimento são compatíveis com a conceituação deste assunto existente na literatura, como por exemplo: As ondas tem a capacidade de refletir quando encontra algum anteparo, para um anteparo côncavo as ondas convergem para o foco e este age como uma fonte pontual. Quando uma onda atravessa uma fenda muito pequena em relação ao seu comprimento de onda ocorre difração. Na interferência entre duas ondas geradas por fontes distintas na mesma fase quando a diferença da distância percorrida entre elas for de meia onda ocorre interferência destrutiva, já quando a diferença é de um comprimento de onda a interferência é construtiva. 7. Referências Bibliográficas. [1] Carron, W.; Guimarães, O. Física: Volume Único. 2ª Ed. São Paulo: Editora Moderna, 2003. Paginas: 196 a 212. [2] TIPLER, A. P. Física para Cientistas e Engenheiros. Vol. 1. 4ª Ed. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos, 2000. Páginas: 423,424, 454 e 455. [3] LUNAZZI, J.J. Cuba de Ondas.Disponível em: <http://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F809_ sem2_2004/011863Marcosp-RichardLanders_RF.pdf>. Acesso em: 26 de novembro de 2010. [4] http://www.falstad.com/ripple/index.html ; Acesso em: 26 de novembro de 2010. [5] http://www.falstad.com/mathphysics.html ; Acesso em: 26 de novembro de 2010.
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