Cuba de Ondas

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Física Experimental II
Cuba de Ondas
Discente: Thaís Cristina do Carmo
Ondas
Uma onda é um movimento causado por uma perturbação, e essa pode se propagar através de um meio (gasoso, sólido ou líquido) ou através do vácuo com velocidade constante, sem que haja transporte de matéria. 
As ondas podem ser classificadas conforme sua natureza, direção de propagação, direção de vibração e orientação.
De acordo com a sua natureza as ondas podem ser classificadas em ondas mecânicas, eletromagnéticas e ondas de matéria. As ondas mecânicas são governadas pelas leis de Newton e existem apenas em um meio material como ar, água e sólidos, enquanto as ondas eletromagnéticas não precisam de um meio para se propagar e as ondas de matéria são ondas que estão associadas a partículas elementares. 
Ondas
Quanto a direção de propagação as ondas podem ser classificadas como: Unidimensionais, Bidimensionais, Tridimensionais. 
Ondas
Quanto a direção de vibração podem ser classificadas como transversais ou longitudinais. Ondas transversais possuem direção de oscilação perpendicular á direção de propagação e ondas longitudinais possuem direção de oscilação paralela á propagação da onda. 
Também podem ser classificadas de acordo com a sua orientação, podendo ser circulares ou planas (retas). 
Ondas Circulares e Ondas Planas (retas).
Figura 1: Ondas Circulares
Figura 2: Ondas Retas
Características das Ondas
Cuba de Ondas 
Uma maneira de estudar as propriedades de propagação das ondas é a partir da formação destas em uma cuba com água. Em uma cuba de ondas com fundo transparente torna-se possível projetar as imagens das ondas em um anteparo. 
Figura 4: Exemplo de Cuba de ondas.
Cuba de Ondas 
Além desses elementos, são necessários alguns acessórios que auxiliam na demonstração dos fenômenos ondulatórios: 
um anteparo reto e um côncavo para demonstração de reflexão;
uma placa de acrílico utilizada para diminuir a profundidade da água na cuba a fim de se observação a variação da velocidade de acordo com a profundidade; 
barreiras com uma e duas fendas para a demonstração de difração. 
Cuba de Ondas
As imagens são produzidas porque as cristas das ondas atuam como lentes convergentes e focalizam a luz de uma lâmpada no anteparo, enquanto as depressões atuam como lentes divergentes. 
Dessa forma, as cristas aparecem no anteparo como faixas brilhantes, enquanto as depressões aparecem escuras.
Com esse sistema pode-se estudar os fenômenos de reflexão, refração, difração, interferência e efeito Doppler utilizando as imagens produzidas pelas ondas da cuba no anteparo.
Reflexão
Reflexão: Quando uma frente de onda, propagando-se em superfície líquida, encontra um obstáculo, cada ponto da frente reflete-se, então é possível representá-las por seus raios de onda. A reflexão dos raios de onda é regida por duas leis da reflexão, que são apresentadas como:
1ª Lei da Reflexão: O raio incidente, o raio refletido e a reta perpendicular à superfície refletora no ponto de incidência estão sempre no mesmo plano;
2ª Lei da Reflexão:
 
Refração e Difração
Refração: Ocorre quando o meio de propagação da onda muda, alterando-se a velocidade e o comprimento de onda, mas mantendo-se constante a frequência da onda. 
Difração: A difração é um fenômeno que acontece quando uma onda encontra um obstáculo, ocorrendo uma flexão da onda em torno desse obstáculo, ou seja, a onda contorna o obstáculo sofrendo deformação em sua geometria. 
Princípio da Superposição
Quando duas ou mais ondas se propagam, simultaneamente, num mesmo meio, diz que há uma superposição de onda, causando uma onda resultante, com pontos de elongação equivalentes à soma dos pontos das ondas sobrepostas. Podendo ou não, uma interferir na outra.
Interferência: É o fenômeno resultante da superposição de duas ou mais ondas. 
A interferência será construtiva ou destrutiva dependendo das diferenças das distâncias percorridas pelas ondas.
Interferência Construtiva e Destrutiva 
Efeito Doppler.
A frequência aparente de uma onda sonora está relacionada com as velocidades da fonte e do observador em relação ao meio de propagação. Este fenômeno é conhecido como efeito Doppler. 
Esse fenômeno é característico de propagações ondulatórias, ou seja, é possível observar esse fenômeno com qualquer tipo de onda.
Existem várias aplicações do Efeito Doppler.
Experimento Cuba de Ondas
Parte Experimental.
 Relação entre frequência e comprimento de onda. 
A cuba de ondas foi ajustada com uma distância do espelho ao anteparo de projeção e foi adicionado água na cuba, ajustando o nível movimentando as sapatas niveladoras.
O vibrador foi colocado no lado maior da cuba e a fonte de luz contrário a este; o excitador simples em 3 mm de profundidade.
A frequência de vibração foi aumentada gradativamente, analisando o que ocorreu.
Experimento Cuba de Ondas
Resultados e Discussões.
 Relação entre frequência e comprimento de onda:
Na cuba foram observadas ondas com regiões claras e escuras, como ilustrado na figura abaixo: 
Experimento Cuba de Ondas
Resultados e Discussões
Experimento Cuba de Ondas
Parte Experimental.
Reflexão de uma onda em obstáculo reto, obstáculo côncavo e convexo.
Foi adicionado um anteparo reto, a partir disso, foi observado o comportamento da onda incidente e refletida.
O ângulo de incidência da onda foi mudado e a partir disso foi analisado o comportamento da onda incidente e refletida em relação ao anteparo. 
O vibrador foi ligado de modo que fosse obtido no máximo duas vibrações, sendo possível observar o comportamento da onda refletida. 
Após o experimento com o obstáculo reto, foi colocado na cuba o anteparo côncavo/convexo. O vibrador foi ajustado para se ter duas vibrações no máximo. 
Experimento Cuba de Ondas
Resultados e Discussões.
 Reflexão de uma onda em obstáculo reto, obstáculo côncavo e convexo.
Experimento com anteparo reto utilizando a ponta da caneta.
Foi possível observar que a onda refletida mantém a velocidade, frequência e comprimento de onda iguais aos da onda incidente, isso porque o meio não muda. 
Experimento com o anteparo côncavo/convexo na cuba, usando o excitador plano.
Experimento Cuba de Ondas
Resultados e Discussões.
Ao analisar o comportamento da onda incidente e da refletida no obstáculo, foi possível observar que as ondas planas ao serem refletidas se encontram em um ponto principal chamado foco. Os raios paralelos ao eixo do espelho convergem para o foco do mesmo.
Experimento Cuba de Ondas
Resultados e Discussões.
Usando um anteparo convexo, é possível observar que as ondas incidentes se comportam igual as ondas incidentes em um anteparo plano e são refletidas com a mesma velocidade. 
Experimento Cuba de Ondas
Parte Experimental. 
Refração de onda bidimensional: 
O excitador plano foi fixado no vibrador e ajustado na superfície da água.
O vibrador foi ligado girando o potenciômetro vagarosamente para obter uma frequência média e uma frente de onda definida e reta, chegando ao outro lado bem paralelo. (Frente de onda: conjunto de pontos que sofrem perturbação através da propagação).
A placa de acrílico foi colocada no interior da cuba ficando submersa na água.
Experimento Cuba de Ondas
Resultados e Discussões.
Refração de onda bidimensional.
Quando a onda chega na região de menor profundidade, há uma diminuição da velocidade provocando um atraso nas frentes de onda. Em decorrência disso a onda muda de direção, e seu comprimento de onda diminui. 
	
Foi possível observar que ao mudar o meio de propagação a frequência permanece a mesma e o comprimento de onda diminui, devido a diminuição da velocidade.
No meio mais fundo o comprimento de onda e a velocidade de propagação são maiores. 
Experimento Cuba de Ondas 
Parte Experimental.
Difração de onda Bidimensional:
Um anteparo foi colocado no lado direito da cuba com a ponta curvada do anteparo sobre a espuma.
A amplitudeda onda foi ajustada para que a imagem da onda projetada ficasse bem nítida.
Colocou-se dois anteparos, um esquerdo e um direito na cuba, deixando uma fenda entre eles para observar o fenômeno de difração.
Experimento Cuba de Ondas
Resultados e Discussões.
Difração de onda bidimensional.
O fenômeno de difração depende da abertura da fenda pois está relacionado com o tamanho ou com largura do obstáculo a ser contornado. 
Quando a abertura da fenda diminui e é aproximadamente igual ao comprimento de onda, a difração vai ser mais acentuada, como mostrado na figura. 
Assim, o tamanho da fenda em relação ao comprimento de onda das ondas influencia na ocorrência do fenômeno de difração. 
Para saber mais.. 
Experimento de Young. 
O experimento de Young, também conhecido como experimento da fenda dupla demonstra o fenômeno da difração e oferece subsídio para o estudo do fenômeno de interferência, que será abordado a seguir. 
Experimento Cuba de Ondas
Parte Experimental.
Interferência de ondas bidimensionais com duas fontes pontuais.
O excitador simples foi substituído pelo excitador duplo.
A frequência de vibração foi ajustada para que houvesse apenas duas linhas de interferência destrutiva na projeção da imagem de interferência.
Com esse experimento foi possível observar a interferência construtiva e a destrutiva.
Experimento Cuba de Ondas
Resultados e Discussões.
Interferência de ondas bidimensionais com duas fontes pontuais.
Quando variamos a frequência, o comprimento de onda varia de maneira inversamente proporcional.
Assim, ao aumentarmos a frequência o comprimento de onda diminui, gerando um número maior de ondas, ocorrendo também um número maior de interferências como é mostrado na figura a seguir. 
Experimento Cuba de Ondas
Resultados e Discussões.
Dessa maneira, a visualização do fenômeno de interferências é mais evidente quando a frequência é mais alta. 
Experimento Cuba de Ondas
Parte Experimental.
Efeito Doppler.
O excitador duplo foi substituído pelo simples, o vibrador foi ligado até obter uma frequência média e uma frente de onda bem nítida.
Foram definidas duas posições na cuba como sendo P1 e P2, de modo que os pontos ficassem simétricos em relação a fonte pontual.
Experimento Cuba de Ondas
Resultados e Discussões.
Efeito Doppler.
Podemos compreender o Efeito Doppler da seguinte forma: No caso de aproximação, a frequência aparente da onda recebida pelo observador fica maior que a frequência emitida. Ao contrário, no caso de afastamento, a frequência aparente diminui. 
Ao provocar uma perturbação na água, é possível observar que os intervalos entres as cristas das ondas que se formam são maiores a medida que as ondas se afastam do observador e menores quando se aproximam. Portanto, há uma mudança na frequência da onda originada pela mesma fonte, provocada pelo movimento do meio ou do observador em relação à fonte.
Considerações Finais
Na cuba de ondas a velocidade não muda, se o meio não mudar, pois, as grandezas relacionadas a velocidade são a amplitude que o excitador oscila no meio, e a densidade do meio;
As ondas refletidas mantém a mesma velocidade, frequência e comprimento de onda iguais aos da onda incidente, isso porque o meio não muda;
Na mudança do meio, notamos que o meio mais fundo apresenta o comprimento de onda e a velocidade maior;
A capacidade que uma onda tem de sofrer difração está relacionada ao tamanho do obstáculo a ser contornado e seu comprimento de onda;
Considerações Finais
Foi possível observar que conforme aumenta o valor da frequência do gerador, o valor do comprimento de ondas diminui;
Usando um excitador único é possível gerar uma onda com sucessões de áreas claras e escuras que indicam máximos ou mínimos;
Utilizando um excitador duplo, é possível evidenciar o fenômeno de interferência;
Quando aumentamos a frequência o período diminui, diminuindo também o comprimento de onda;
Considerações Finais
Através do experimento foi possível compreender, visualizar e aprender sobre os fenômenos de reflexão, refração, interferência e difração de ondas em uma cuba de água utilizando as imagens produzidas pelas ondas. 
Referências
https://www.sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/Ondas/classificacao.php
http://www.ucb.br/sites/100/118/Laboratorios/Calor/CubaDeOndasDifracao.pdf
http://www.dominiopublico.gov.br/download/texto/ea001009.pdf
https://www.infoescola.com/fisica/interferencia-entre-ondas/
https://www.infoescola.com/fisica/efeito-doppler-2/
https://www.sofisica.com.br/conteudos/exercicios/ondas.php
https://moodle.ufsc.br/mod/book/view.php?id=504285&chapterid=2653