Trabajo presentado por:
- ALMENDRAS OLIVO, BRYAN GERARDO.
- DULONG ERARIO, GERARD XAVIER.
- MELGAREJO NERY, ANDY SEGUNDO.
- RIOS TABOADA, FRANCISCO OSWALDO.
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The Levitating Water Drops
(Las gotas de agua levitando)
INTRODUCCIÓN
Este proyecto titulado “The Levitating Water Drops” busca crear una ilusión
óptica de la levitación del agua a través de las ondas del sonido y luces
estroboscópicas; y así mismo explicar los fundamentos físicos: frecuencia,
ondas longitudinales.
Explicaremos los principios
básicos de la física, como la longitud de onda y la frecuencia.
Debido a que cuando
modificamos y sincronizamos las ondas generadas en las luces y en la frecuencia
obtendremos el efecto deseado; el cual a siempre vista parece “magia” o que el
agua este levitando, pero en realidad es una
ilusión óptica desarrollado por principios básicos de física.
OBJETIVOS
- Demostrar la ilusión de la levitación del agua en base a fundamentos físicos de manera particular en la electrónica.
- Comprender y analizar los conceptos físicos sobre la óptica, que se usaran en el proyecto.
MARCO TEÓRICO
FRECUENCIA
Frecuencia
una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de
cualquier fenómeno o suceso periódico.
Para
calcular la frecuencia de un suceso, se contabilizan un número de ocurrencias
de este teniendo en cuenta un intervalo temporal, luego estas repeticiones se
dividen por el tiempo transcurrido.
Según
el Sistema Internacional (SI), la frecuencia se mide en hercios (Hz), en honor
a Heinrich Rudolf Hertz. Un hercio es la frecuencia de un suceso o fenómeno
repetido una vez por segundo. Así, un fenómeno con una frecuencia de dos
hercios se repite dos veces por segundo. Esta unidad se llamó originalmente
«ciclo por segundo» (cps).
Otras
unidades para indicar frecuencias son revoluciones por minuto (rpm o r/min
según la notación del SI); las pulsaciones del corazón se miden en latidos por
minuto (lat/min) y el tempo musical se mide en «pulsos por minuto» (bpm, del
inglés “beats per minute”).
Un
método alternativo para calcular la frecuencia es medir el tiempo entre dos
repeticiones (periodo) y luego calcular la frecuencia (f) recíproca de esta
manera:
donde T es el periodo de la señal.
¿A cuánto equivale un Hertz – Hz?
El Hertz, cuyo símbolo es (Hz) es una unidad de frecuencia dentro del sistema internacional de unidades, jubilando por tanto la anterior nomenclatura de los ciclos por segundo.
Por lo tanto un Hertz equivale a un ciclo por segundo.
Viene nombrado en honor del físico Rudolf Hertz que estudiaba la propagación de las ondas electromagnéticas.
1 Hertz equivale a:
·
1000 mili hercios.
·
Un millón de micro-hercios.
·
0,001 kilo hercios.
·
10−9 Giga-hercios.
FRECUENCIAS DE ONDAS
La
frecuencia tiene una relación inversa con el concepto de longitud de onda (ver
gráfico), a mayor frecuencia menor longitud de onda y viceversa. La frecuencia
f es igual a la velocidad v de la onda, dividido por la longitud que se de onda
λ (lambda):
Cuando las ondas viajan de un medio a otro, como por ejemplo de aire a agua, la frecuencia de la onda se mantiene constante, cambiando solo su longitud de onda y la velocidad.
En Europa, Asia, Oceanía, África y gran parte de América del Sur, la frecuencia de corriente alterna para uso doméstico (en electrodomésticos, etc.) es de 50 Hz. En cambio en América del Norte de 60 Hz.
Para determinar la frecuencia de la corriente alterna producida por un generador eléctrico se utiliza la siguiente ecuación:
Donde:
P: número de polos (siempre deben ser pares)
Vg: velocidad de giro (en rpm).
F: frecuencia (en Hz)
P: número de pares de polos.
otra manera de calcular la frecuencia de la corriente alterna producida por un generador eléctrico:
Donde:
FÍSICA DE LA LUZ
La
luz visible es una onda electromagnética, que consiste en oscilaciones
eléctricas y campos magnéticos que viajan por el espacio.
La
frecuencia de la onda determina el color: 4×1014 Hz es la luz roja, 8×1014 Hz
es la luz violeta, y entre estos (en el rango de 4-8×1014 Hz) están todos los
otros colores del arco iris.
Una
onda electromagnética puede tener una frecuencia de menos de 4×1014 Hz, pero no
será visible para el ojo humano, tales ondas se llaman infrarrojos (IR).
Para
frecuencias menores, la onda se llama microondas, y en las frecuencias aún más
bajas tenemos las ondas de radio.
Del
mismo modo, una onda electromagnética puede tener una frecuencia mayor que
8×1014 Hz, pero será invisible para el ojo humano, tales ondas se llaman
ultravioleta (UV). Las ondas de frecuencia mayor que el ultravioleta se llaman
rayos X, y con frecuencias más altas aún encontramos los rayos gamma.
Todas
estas ondas, las ondas de radio de baja frecuencia hasta los rayos gamma de
alta frecuencia, son fundamentalmente las mismas, y todas ellas son llamadas
radiación electromagnética. Todas ellas viajan a través del vacío a la
velocidad de la luz.
Otra
característica de una onda electromagnética es la longitud de onda.
La
longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia, por lo que una
onda electromagnética con una frecuencia más alta tiene una longitud de onda
más corta, y viceversa.
El
espectro electromagnético completo señalando la parte visible de la radiación
electromagnética.
FRECUENCIA
DEL SONIDO
La
frecuencia del sonido se mide en ciclos por segundo (
) o en Herz o hercios (Hz).
La medida se puede iniciar en cualquier parte de la onda, siempre y cuando
termine donde empezó. El número de veces que esto pasa en un segundo es la
frecuencia de la onda. Entre más ciclos por segundo más alto el sonido.
) o en Herz o hercios (Hz).
La medida se puede iniciar en cualquier parte de la onda, siempre y cuando
termine donde empezó. El número de veces que esto pasa en un segundo es la
frecuencia de la onda. Entre más ciclos por segundo más alto el sonido.
Cada
frecuencia de un sonido produce un tono distinto.
La
banda de frecuencias audibles se descompone en tres regiones:
Tonos
graves: de 125 Hz a 250 Hz.
Tonos
medios: de 500 Hz a 1000 Hz.
Tonos
agudos: de 2000 Hz a 4000 Hz.
Cuando
estas vibraciones del aire son percibidas por nuestros oídos, éstos las
transforman en señales eléctricas que puedan ser entendidas por nuestro cerebro.
Un micrófono actúa de manera similar transformando las vibraciones acústicas en
eléctricas de manera que puedan guardarse, manipularse, y reproducirse. A esta
señal se la denomina señal analógica. La forma de onda más sencilla es la
denominada onda sinusoidal, que se caracteriza por tener una frecuencia y una
amplitud constante.
LONGITUD DE ONDA
La
longitud de onda es la distancia real que recorre una perturbación (una onda)
en un determinado intervalo de tiempo. Ese intervalo de tiempo es el
transcurrido entre dos máximos consecutivos de alguna propiedad física de la
onda.
Otra
propiedad física, que podríamos haber utilizado para medir la longitud de onda
de las ondas electromagnéticas, es su efecto magnético (su campo magnético),
que también varía en el tiempo.
En
el caso de las ondas llamadas "olas del mar", esa propiedad puede ser
la posición de una de sus moléculas respecto al nivel medio del mar.
La
perturbación avanza a una determinada velocidad (que depende de varios aspectos
que aquí no son relevantes).
Si
medimos lo que avanza la perturbación en el transcurso de tiempo empleado por
una de sus moléculas en pasar dos veces consecutivas por un máximo en su
posición respecto al nivel medio del mar, obtendremos la longitud de onda de
esa onda que llamábamos "olas del mar".
En
este caso, esa distancia (esa longitud de onda) coincide con la separación
entre dos crestas consecutivas, pero no es conveniente quedarse con la idea de
que todas las ondas tienen "crestas".
La
luz no las tiene. La definición de "distancia recorrida por la
perturbación (no por el material, moléculas, etc.)
En
una determinada duración de tiempo" es la definición válida.
Es
necesario recalcar que la longitud de onda no es la distancia que recorren las
partículas implicadas en la propagación de la onda (moléculas de agua en las
olas del mar, átomos o moléculas de la corteza terrestre en un terremoto,
moléculas de la atmósfera terrestre propagando un sonido, etc.).
EQUIPO Y MATERIALES
o INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN:
- ESCUADRA: Escuadra de carpintero También es conocida como escuadra con espaldón. El espaldón es la parte opuesta a la regla de un grosor mayor para que se pueda apoyar la escuadra en un canto de la pieza que se quiere verificar, y con ello permitir que el proceso y la verificación sean más confiables, además de ángulos de 90° este instrumento puede verificar también ángulos de 45° ya que en el vértice del ángulo de 90° el espaldón está inclinado en un ángulo de 45°.
- WINCHA: Es una cinta métrica flexible, enrollada dentro de una caja de plástico o metal, que generalmente está graduada en centímetros en un costado de la cinta y en pulgadas en el otro. Para longitudes cortas de 3 m, 5 m y hasta 8 m, las cintas son metálicas. Para longitudes mayores a 10 m, existen de plástico o lona reforzada. Las más confiables son las metálicas porque no se deforman al estirarse.
- REGLAS: Una herramienta hecha con un material sólido que permite realizar mediciones o dibujar una línea recta. El uso de la regla se extiende a varias actividades y ramas de estudio, como ser la imprenta, la geometría, la ingeniería y el dibujo técnico.
- GENERADOR DE FRECUENCIA: Un generador de ondas es muy útil para generar todo tipo de señales. El proyecto que os dejo a continuación hace exactamente eso. Es capaz de generar varios tipos de onda con frecuencias comprendidas entre 1 HZ y 30 KHz.
- AMPLIFICADOR DE SONIDO: Un amplificador es todo dispositivo que, mediante la utilización de energía, magnifica la amplitud de un fenómeno. Aunque el término se aplica principalmente al ámbito de los amplificadores electrónicos, para sonido, se conecta a un dispositivo emisor de sonido, y este amplificador expande el volumen y sus variaciones hacia el exterior.
o MATERIALES:
- MADERA: La madera es un material ortótropo, con distinta elasticidad según la dirección de deformación, encontrado como principal contenido del tronco de un árbol.
- MANGUERA DE PLÁSTICO LABORATORIO: Una manguera es un tubo hueco flexible diseñado para transportar fluidos de un lugar a otro. En este caso el agua que se transportara de un lugar a otro. La particularidad es que estas mangueras son pequeñas y especialmente para laboratorio.
- AGUA: Es una sustancia cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). El término agua generalmente se refiere a la sustancia en su estado líquido, aunque la misma puede hallarse en su forma sólida llamada hielo y en su forma gaseosa denominada vapor. Es una sustancia bastante común en el universo y el sistema solar, donde se encuentra principalmente en forma de vapor o de hielo. Es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de vida.
- FILTRO DE AGUA PARA PECERA: Los filtros generalmente son para acuarios (interiores o exteriores) se ocupan de limpiar el agua de los residuos de comida, excrementos y otros productos nocivos que se acumulan en el acuario.
- CAJA DE CRISTAL PARA AGUA: Pequeño depósito de agua, generalmente de cristal, acondicionado para contener agua en su interior.
PROCEDIMIENTO
- Se construyor una pecera de pequeñas
dimensiones (40x15x10) en la cual se le tuvo que hacer dos orificios en las
esquinas de menor grosor por las cuales saldrían las mangueras y se
encontrarían las mini bombas hidráulicas ,luego se tuvo que hacer un armazón de
madera donde se encontraría todo los ensambles las medidas se dieron con
respecto a las dimensiones de la pecera para la base (41x10x11 en 15 mm de
espesor de madera) dando un margen de diferencia mínima para que entrase perfectamente
,la cual luego se sujetarían a dos torres (35x10x5) donde estarían las luces
,el cableado y pasarían las mangueras que salían de la pecera para finalmente
adherirla a una base sólida que aseguraría que todo esté en el lugar correcto ,
a continuación se pasó hacer un cajón que iría en la parte superior del armazón
en donde las mangueras darían una curva para así cerrar el circuito cerrado del
agua y donde también estarían los circuitos y demás.
- Luego
se trabajo la parte eléctrica o electrónica en la cual tuvimos dificultades al encontrar luces
estroboscópicas ,por lo que se tuvieron que hacer partiendo de cero. En primer lugar nuestro técnico asesor busco los diagramas correspondientes para el trazado de la placa en la
cual se dibujó y luego se estampo para poder empezar con el armado y la codificación
de aquellas ,una vez obtenida la placa se compró luces led de (3V) de buena
iluminación la cual se colocaron en las torres por medio de agujeros y
cableados ,luego nos enfocamos en el generador de frecuencia que iría en la
parte superior y haría que la salida del
agua vibre y así el agua ya no salga como un chorro directo si no en forma
discontinua .
- Finalmente
se tuvieron que realizar múltiples pruebas para sincronizar la frecuencia y la
onda de longitud por segundos emitidos por las luces estroboscópicas para
llegar a los resultados obtenidos una vez obtenido dichos datos se selló la
parte superior y se colocaron perillas para graduar la vibración y las ráfagas
de luces.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
· Prezi.com(2017).Ejemplos de
ondas en la vida cotidiana. Disponible en: https://prezi.com/kofgiwhegva/ejemplos-de-ondas-en-la-vida-cotidiana/
· Anon,(2017).Disponible en: https://luz.izt.ua,.mx/wiki/index.hph/Ondas-Mecanicas-Longitudinales.
· HyperPhysics.phy-astr.gsu.edu(2017).
Transverse and Longitudinal Waves. Disponible en: Http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Sound/tralon.html.
· Fisicapractica.com(2017).Frecuencia
y período-FísicaPractica.com. Disponible en: http:://www.fisicapractica.com/frecuencia-periodo.php
· Youtube.(2017).Levitando
agua. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=rwdkd0T3COl
Algunas imágenes de la construcción del proyecto:
Diapositivas del proyecto:
Gotas de Agua Levitando (The Levitating Water Drops) by Elvis Hermes on Scribd
Vídeo del trabajo:
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