Tanque ondulado

Un simple tanque de onda

En física, un tanque ondulado es un tanque de agua de vidrio poco profundo que se utiliza para demostrar las propiedades básicas de las ondas. Es una forma especializada de un tanque de olas. El tanque de ondas generalmente se ilumina desde arriba, de modo que la luz brille a través del agua. Unos pequeños tanques de ondas se colocan en la parte superior de un retroproyector, es decir, se iluminan desde abajo. Las ondas en el agua aparecen como sombras en la pantalla debajo del tanque. Se pueden demostrar todas las propiedades básicas de las ondas, incluidas la reflexión, la refracción, la interferencia y la difracción.

Las ondas pueden ser generadas por un trozo de madera que se suspende sobre el tanque con bandas elásticas de modo que solo toque la superficie. Atornillado a la madera hay un motor que tiene un peso descentrado unido al eje. A medida que el eje gira, el motor se tambalea, sacudiendo la madera y generando ondas.

Demostración de las propiedades de las olas

Se pueden demostrar varias propiedades de las olas con un tanque de ondas. Estos incluyen ondas planas, reflexión, refracción, interferencia y difracción.

Ondas planas

Imagen de las olas de avión

Cuando se baja el rippler de modo que apenas toque la superficie del agua, se producirán ondas planas.

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  Cierre del rippler – el rectángulo marrón es un remo oscilante

Ondas circulares

Tanque Ripple con fuente esférica produciendo ondas circulares

Cuando el rippler se sujeta con una bola esférica de punta y se baja de modo que toque la superficie del agua, se producirán ondas circulares.

Reflexión

Las olas que son largas relativas al tamaño de un objeto envuelven alrededor del objeto.

Las olas que son cortas respecto al tamaño de un objeto echarán una sombra detrás del objeto.

Aproximación numérica del patrón de difracción de una ranura de ancho igual a cinco veces la longitud de onda de una onda de avión incidente en la visualización 3D

Aproximación numérica del patrón de difracción a partir de una ranura de ancho igual a longitud de onda de un plano incidente en la visualización 3D

Demostración de reflexión y enfoque de espejos

Al colocar una barra de metal en el tanque y tocar la barra de madera, se puede enviar un pulso de tres o cuatro ondas hacia la barra de metal. Las ondas se reflejan en la barra. Si la barra se coloca en ángulo con el frente de onda, se puede ver que las ondas reflejadas obedecen la ley de la reflexión. El ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión serán iguales.

Si se utiliza un obstáculo parabólico cóncavo, un pulso de onda plana convergerá en un punto después de la reflexión. Este punto es el punto focal del espejo. Las ondas circulares se pueden producir dejando caer una sola gota de agua en el tanque de ondas. Si esto se hace en el punto focal del "espejo" las ondas planas se reflejarán de vuelta.

Refracción

Si se coloca una lámina de vidrio en el tanque, la profundidad del agua en el tanque será menor sobre el vidrio que en cualquier otro lugar. La velocidad de una ola en el agua depende de la profundidad, por lo que las ondas disminuyen su velocidad a medida que pasan sobre el vidrio. Esto hace que la longitud de onda disminuya. Si la unión entre las aguas profundas y las poco profundas forma un ángulo con el frente de onda, las ondas se refractarán. En el diagrama de arriba, se puede ver que las ondas se doblan hacia la normal. La normal se muestra como una línea de puntos. La línea discontinua es la dirección en la que viajarían las ondas si no se hubieran topado con la pieza de vidrio en ángulo.

En la práctica, mostrar la refracción con un tanque de ondas es bastante complicado.

• La hoja de vidrio necesita ser bastante gruesa, con el agua sobre ella lo más superficial posible. Esto maximiza la diferencia de profundidad y por lo tanto causa una mayor diferencia de velocidad y por lo tanto mayor ángulo.
• Si el agua es demasiado efectos de arrastre poco profundos y viscosos hacen que las ondas desaparezcan muy rápidamente.
• El vidrio debe tener bordes lisos para minimizar las reflexiones en el borde.

Difracción

Si se coloca un pequeño obstáculo en el camino de las ondas y se usa una frecuencia lenta, no hay área de sombra ya que las ondas se refractan a su alrededor, como se muestra abajo a la derecha. Una frecuencia más rápida puede resultar en una sombra, como se muestra a continuación a la derecha. Si se coloca un gran obstáculo en el tanque, probablemente se observará un área de sombra.

Si se coloca un obstáculo con un pequeño espacio en el tanque, las ondas emergen en un patrón casi semicircular. Sin embargo, si el espacio es grande, la difracción es mucho más limitada. Pequeño, en este contexto, significa que el tamaño del obstáculo es comparable a la longitud de onda de las ondas.

Difracción de una rejilla

También se puede ver un fenómeno idéntico a la difracción de rayos X de los rayos X de una red cristalina atómica, lo que demuestra los principios de la cristalografía. Si uno baja una cuadrícula de obstáculos en el agua, con el espacio entre los obstáculos que corresponde aproximadamente a la longitud de onda de las ondas de agua, verá la difracción de la cuadrícula. En ciertos ángulos entre la cuadrícula y las olas que se aproximan, las olas parecerán reflejarse fuera de la cuadrícula; en otros ángulos, las ondas pasarán. De manera similar, si se altera la frecuencia (longitud de onda) de las ondas, las ondas también pasarán o se reflejarán alternativamente, dependiendo de la relación precisa entre el espaciado, la orientación y la longitud de onda.

Interferencia

La interferencia se puede producir mediante el uso de dos cucharones que se conectan a la barra de ondulación principal. En los diagramas de abajo a la izquierda, las áreas claras representan las crestas de las olas, las áreas negras representan los valles. Observe las áreas grises: son áreas de interferencia destructiva donde las ondas de las dos fuentes se anulan entre sí. A la derecha hay una fotografía de la interferencia de dos puntos generada en un tanque de ondas circulares.