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• Luis Felipe Reyes de los Reyes

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Análisis del fenómeno de oscilación de ondas en una cuerda, por medio del simulador PHET

Analysis of the wave oscillation phenomenon in a string, by means of the PHET simulator

Elis Araujo Facultad de ingeniería, Universidad de la guajira, Colombia [email protected] Jhon Florez Facultad de ingeniería, Universidad de la guajira, Colombia [email protected] Mario Argote Facultad de ingeniería, Universidad de la guajira, Colombia [email protected] Carlos Pérez Facultad de ingeniería, Universidad de la guajira, Colombia [email protected] Sebastián Ojeda Facultad de ingeniería, Universidad de la guajira, Colombia [email protected] Hansell Carrillo Facultad de ingeniería, Universidad de la guajira, Colombia [email protected]

Resumen En el siguiente informe se analizaran diversos experimentos que tiene relación con el fenómeno ondulatorio; más específicamente con las ondas en una cuerda. En él nos vamos a encontrar con los tipos de oscilación y los distintos elementos que la conforman.

Palabras claves: Experimento, Ondas, Fenómenos ondulatorios

Abstract In the following report we will analyze several experiments related to the wave phenomenon; more specifically with the waves on a string. In it we will find the types of oscillation and the different elements that make it up. Keywords: Experiment, Waves, Wave phenomena

INTRODUCCION

El fenómeno ondulatorio como los demás fenómenos de la física moderna, es algo muy sencillo de comprender, siempre y cuando se tengan las herramientas correctas para familiarizarnos con ellos. En el siguiente informe vamos a analizar el fenómeno de las ondas en cuerdas, por medio del simulador PHET, en el cual vamos a estudiar el fenómeno de oscilación de ondas en una cuerda, analizando los diferentes elementos de la oscilación (amplitud, periodo, frecuencia), y jugando con variables como (amplitud, amortiguación, y tensión en la cuerda)

FUNDAMENTO TEORICO

La oscilación permite representar los movimientos de tipo vaivén a la manera de un péndulo o dicho determinados fenómenos, a la intensidad que se acrecienta y disminuye de forma alternativa con más o menos regularidad. Se conoce oscilación a cada uno de los vaivenes que se detectan en los movimientos oscilatorios. Tipos de oscilación

En el caso en que un sistema reciba una única fuerza y oscile libremente hasta detenerse por causa de la amortiguación, se conoce como oscilación libre. Este es por ejemplo el caso cuando pulsamos la cuerda de una guitarra.

Oscilación Amortiguada Si en el caso de una oscilación libre nada perturbara al sistema en oscilación, este seguiría vibrando indefinidamente. En la naturaleza existe lo que se conoce como fuerza de fricción, que es el producto del choque de las partículas. Ello resta cada vez más energía al movimiento produciendo finalmente que el movimiento se detenga, esto se conoce como oscilación amortiguada.

Oscilación Forzada Las oscilaciones forzadas resultan de aplicar una fuerza periódica y de magnitud constante sobre un sistema oscilación es decir la frecuencia de oscilación del sistema será igual a la frecuencia de la fuerza que se le aplica. Esto es lo que sucede por ejemplo en la guitarra, cuando encontramos que hay cuerdas que no pulsamos pero que vibran.

Elementos de la oscilación

Amplitud: Máxima desplazamiento de la partícula respecto de su posición de equilibrio.

Periodo: Es el tiempo que necesita la partícula para realizar un ciclo completo de su movimiento.

Frecuencia: Numero de oscilaciones por unidad de tiempo que realiza la partícula

OBJETIVOS 1. Describir los conceptos de oscilación y de una onda en cuerda por medio de un simulador virtual el cual ayudara a minimizar la complejidad de dichos conceptos.

2. Mostrar los distintos elementos de una oscilación.

3. Identificar los distintos tipos de oscilaciones que se presenta por medio del simulador de PHET

DESARROLLO DEL LABORATORIO

A continuación y a manera de resumen se va a presentar 3 tablas, en las cuales se sintetiza toda la información extraída de los experimentos.

Se generaron ondas con tres elementos: un pulso, un oscilador y de forma manual; dentro de estos experimentos se tienen en cuenta distintas variables (amortiguación, tensión del cable, y amplitud de la onda).

Cabe destacar que el periodo se determinó con la ayuda de un cronometro.

Tabla 4.1 Opción pulso

1. ¿Qué sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión baja, con amplitud 0 y con amortiguación 0? Explica por qué se da este fenómeno

2. Que sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión alta, con amplitud 0 y con amortiguación 0? Explicar por qué se da este fenómeno.

Extremo Fijo Carece de oscilación porque no hay movimiento. No se produce movimiento ondulatorio, como consecuencia de que no hay amplitud de onda, por lo tanto no habrá efecto de amortiguación.

Extremo Libre Sin extremo Carece de oscilación Carece de oscilación porque porque no hay no hay movimiento movimiento No se produce movimiento ondulatorio, como No se produce consecuencia de que no hay movimiento amplitud de onda, por lo ondulatorio, como tanto no habrá efecto de consecuencia de que amortiguación. no hay amplitud de onda, por lo tanto no T: 0s habrá efecto de amortiguación.

T: 0s

T= 0s

Carece de oscilación porque no hay movimiento Ocurre que la no se produce fenómeno ondulatorio ya que este depende de la amplitud de la onda y no de lo tensionada que este la cuerda.

Carece de oscilación Carece de oscilación porque porque no hay no hay movimiento movimiento Ocurre que la no se produce Ocurre que la no se fenómeno ondulatorio ya produce fenómeno que este depende de la ondulatorio ya que este amplitud de la onda y no de depende de la amplitud lo tensionada que este la de la onda y no de lo cuerda. tensionada que este la cuerda. T=0s

T=0s

T=0s

3. 3. Que sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión baja, con amplitud 100 y con amortiguación 0? Explicar por qué se da este fenómeno.

4. Que sucede si señalamos la opción de pulso, con final fijado, con tensión alta, con amplitud 100 y con amortiguación 100? Explicar por qué se da este fenómeno.

5. . Que sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión alta, con amplitud 100 y con amortiguación 0? Explicar por qué se da este fenómeno.

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento Se empieza a presentar el movimiento ondulatorio, y como el extremo esta fijo la onda se refleja en dirección contraria a la oscilación inicial T= 11.79 s Oscilación Libre por que el movimiento ondulatorio se detiene como causa de la amortiguación

Oscilación forzada por Oscilación forzada por que que no hay no hay amortiguación que amortiguación que detenga el movimiento detenga el movimiento Se empieza a presentar el Se empieza a presentar movimiento ondulatorio, y el movimiento como no hay extremo la ondulatorio, y como el onda se desplaza extremo esta libre la infinitamente onda se refleja en la T= infinito misma dirección y en sentido opuesto T= 25,9 s

Oscilación Libre por que el movimiento ondulatorio se detiene como causa de la amortiguación

Oscilación Libre por que el movimiento ondulatorio se detiene como causa de la amortiguación El movimiento ondulatorio intenta producirse pero en una parte del recorrido se vuelve imperceptible, como consecuencia de la alta tensión en la cuerda y la alta amortiguación del movimiento

El movimiento ondulatorio intenta producirse pero en una parte del recorrido se vuelve imperceptible, como consecuencia de la alta tensión en la cuerda y la alta amortiguación del movimiento T: 6.16 s

El movimiento ondulatorio intenta producirse pero en una parte del recorrido se vuelve imperceptible, como consecuencia de la alta tensión en la cuerda y la alta amortiguación del T = infinito movimiento T: 1.5 s

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Oscilación forzada por Oscilación forzada por que que no hay no hay amortiguación que amortiguación que detenga el movimiento detenga el movimiento Se genera una onda con una Se genera una onda con amplitud máxima, y al final una amplitud máxima, la onda se desplaza y al final la onda se infinitamente refleja en la misma T = infinito dirección como consecuencia del extremo libre. T:=6.03 s

Se genera una onda con una amplitud máxima, y al final la onda se refleja en dirección contraria a la oscilación inicial. T = 2.15 s

Tabla 4.2 Opción oscilador

1. ¿Qué sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión baja, con amplitud 0 y con amortiguación 0? Explica por qué se da este fenómeno

2. Que sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión alta, con amplitud 0 y con amortiguación 0? Explicar por qué se da este fenómeno.

3. 3. Que sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión baja, con amplitud 100 y con amortiguación 0? Explicar por qué se da este fenómeno.

Extremo Fijo Carece de oscilación porque no hay movimiento No se produce movimiento ondulatorio, como consecuencia de que no hay amplitud de onda, por lo tanto no habrá efecto de amortiguación.

Extremo Libre Carece de oscilación porque no hay movimiento No se produce movimiento ondulatorio, como consecuencia de que no hay amplitud de onda, por lo tanto no habrá efecto de amortiguación.

Sin extremo Carece de oscilación porque no hay movimiento No se produce movimiento ondulatorio, como consecuencia de que no hay amplitud de onda, por lo tanto no habrá efecto de amortiguación.

T: 0s

T: 0s

T: 0s

Carece de oscilación Carece de oscilación Carece de oscilación porque no hay porque no hay porque no hay movimiento movimiento movimiento Ocurre que la no se produce fenómeno ondulatorio ya que este depende de la amplitud de la onda y no de lo tensionada que este la cuerda.

Ocurre que la no se produce fenómeno ondulatorio ya que este depende de la amplitud de la onda y no de lo tensionada que este la cuerda.

Ocurre que la no se produce fenómeno ondulatorio ya que este depende de la amplitud de la onda y no de lo tensionada que este la cuerda.

T=0s

T=0s

T=0s

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Se empieza a presentar el movimiento ondulatorio, y como el

Se empieza a presentar el movimiento ondulatorio, y como el

Se empieza a presentar el movimiento ondulatorio, y como

4. Que sucede si señalamos la opción de pulso, con final fijado, con tensión alta, con amplitud 100 y con amortiguación 100? Explicar por qué se da este fenómeno.

5. . Que sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión alta, con amplitud 100 y con amortiguación 0? Explicar por qué se da este fenómeno.

extremo esta fijo la onda se refleja en dirección contraria a la oscilación inicial; también se puede observar que se presenta una interferencia destructiva por efecto del oscilador.

extremo esta fijo la onda se refleja en dirección contraria a la oscilación inicial; también se puede observar que se presenta una interferencia destructiva por efecto del oscilador.

no hay un extremo en el cual la onda se refleje, se crea un efecto en el cual el movimiento ondulatorio para perpetuo

T= 11.85 s

T= 2.56s

Oscilación Libre por que el movimiento ondulatorio se detiene como causa de la amortiguación

Oscilación Libre por que el movimiento ondulatorio se detiene como causa de la amortiguación

Oscilación Libre por que el movimiento ondulatorio se detiene como causa de la amortiguación

El movimiento ondulatorio intenta producirse pero en una parte del recorrido se vuelve sutilmente débil e imperceptible, como consecuencia de la alta tensión en la cuerda y la alta amortiguación del movimiento

El movimiento ondulatorio intenta producirse pero en una parte del recorrido se vuelve sutilmente débil e imperceptible, como consecuencia de la alta tensión en la cuerda y la alta amortiguación del movimiento

El movimiento ondulatorio intenta producirse pero en una parte del recorrido se vuelve sutilmente débil e imperceptible, como consecuencia de la alta tensión en la cuerda y la alta amortiguación del movimiento

T: 1.6 s

T: 2.3 s

T: infinito

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Se genera una onda con una amplitud máxima, y al final la onda se refleja en dirección contraria a la oscilación inicial, también se produce una interferencia

Se genera una onda con una amplitud máxima, y al final la onda se refleja en dirección contraria a la oscilación inicial, también se produce una interferencia

Se genera una onda con una amplitud máxima, y al final la onda se desplaza libre e indefinidamente en el espacio

T= ∞

T= infinito

destructiva consecuencia movimiento oscilador.

como destructiva del consecuencia del movimiento oscilador.

como del del

T= 0.83

T= 2.31

Extremo Fijo Carece de oscilación porque no hay movimiento No se produce movimiento ondulatorio, como consecuencia de que no hay amplitud de onda, por lo tanto no habrá efecto de amortiguación.

Extremo Libre Carece de oscilación porque no hay movimiento No se produce movimiento ondulatorio, como consecuencia de que no hay amplitud de onda, por lo tanto no habrá efecto de amortiguación.

Sin extremo Carece de oscilación porque no hay movimiento No se produce movimiento ondulatorio, como consecuencia de que no hay amplitud de onda, por lo tanto no habrá efecto de amortiguación.

T: 0s

T: 0s

T: 0s

Tabla 4.3 Opción manual

1. ¿Qué sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión baja, con amplitud 0 y con amortiguación 0? Explica por qué se da este fenómeno

2. Que sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión alta, con amplitud 0 y con amortiguación 0? Explicar por qué se da este fenómeno.

Carece de oscilación Carece de oscilación Carece de oscilación porque no hay porque no hay porque no hay movimiento movimiento movimiento Ocurre que la no se produce fenómeno ondulatorio ya que este depende de la amplitud de la onda y no de lo tensionada que este la cuerda.

Ocurre que la no se produce fenómeno ondulatorio ya que este depende de la amplitud de la onda y no de lo tensionada que este la cuerda.

Ocurre que la no se produce fenómeno ondulatorio ya que este depende de la amplitud de la onda y no de lo tensionada que este la cuerda.

T=0s

T=0s

T=0s

3. 3. Que sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión baja, con amplitud 100 y con amortiguación 0? Explicar por qué se da este fenómeno.

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Oscilación Libre por que el movimiento ondulatorio se detiene como causa de la amortiguación

Se empieza a presentar el movimiento ondulatorio, y como el extremo esta fijo la onda se refleja en dirección contraria a la oscilación inicial T= 12.07 s

Se empieza a presentar el movimiento ondulatorio, y como el extremo esta libre la onda se refleja la misma dirección T= 5.14 s

El movimiento ondulatorio intenta producirse pero en una parte del recorrido se vuelve imperceptible, como consecuencia de la alta tensión en la cuerda y la alta amortiguación del movimiento T= infinito

4. Que sucede si señalamos la opción de pulso, con final fijado, con tensión alta, con amplitud 100 y con amortiguación 100? Explicar por qué se da este fenómeno.

5. . Que sucede si señalamos la opción de pulso, con el final fijado, con tensión alta, con amplitud 100 y con amortiguación 0? Explicar por qué se da este fenómeno.

Oscilación Libre por que el movimiento ondulatorio se detiene como causa de la amortiguación El movimiento ondulatorio intenta producirse pero en una parte del recorrido se vuelve imperceptible, como consecuencia de la alta tensión en la cuerda y la alta amortiguación del movimiento T: 1.2 s

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Oscilación Libre por que el movimiento ondulatorio se detiene como causa de la amortiguación El movimiento ondulatorio intenta producirse pero en una parte del recorrido se vuelve imperceptible,

Oscilación Libre por que el movimiento ondulatorio se detiene como causa de la amortiguación

como consecuencia de la alta tensión en la cuerda y la alta amortiguación del movimiento

El movimiento ondulatorio intenta producirse pero en una parte del recorrido se vuelve imperceptible, como consecuencia de la alta tensión en la cuerda y la alta amortiguación del movimiento

T= 0.97

T= infinito

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Oscilación forzada por que no hay amortiguación que detenga el movimiento

Se genera una onda Se genera una onda Se genera una onda con una amplitud con una amplitud con una amplitud

máxima, y al final la onda se refleja en dirección contraria a la oscilación inicial. T= 4.09 s

máxima, y al final la onda se refleja en dirección contraria a la oscilación inicial. T= 4,93 s

máxima, y al final la onda desplaza infinitamente por el espacio T= infinito

CONCLUSIONES

1. Logramos describir los conceptos de oscilación y de una onda en cuerda por medio de un simulador virtual el cual ayudara a minimizar la complejidad de dichos conceptos. 2. Mostramos los distintos elementos de una oscilación

3. Identificamos los distintos tipos de oscilaciones que se presenta por medio del simulador de PHET

WEBGRAFIA

https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/wave-on-a-string