AndalucíaAndalucía
MadridMadrid
CataluñaCataluña
GaliciaGalicia
MurciaMurcia
ValenciaValencia
En construcciónAñadimos comunidades, materias, años y soluciones de forma progresiva y constante.
Ondas estacionarias
Teoría
2020 · Extraordinaria · Reserva
7-a
Examen
a) Justifique la veracidad o falsedad de las siguientes afirmaciones: i) La amplitud de una onda estacionaria en un vientre es el doble de la amplitud de las ondas armónicas que la producen. ii) La distancia entre un nodo y un vientre consecutivo, en una onda estacionaria, es igual a media longitud de onda.
Ondas estacionariasNodos y vientres
a) Justificación de la veracidad o falsedad de las afirmaciones:i) La amplitud de una onda estacionaria en un vientre es el doble de la amplitud de las ondas armónicas que la producen.

Una onda estacionaria se forma por la superposición de dos ondas armónicas idénticas que viajan en direcciones opuestas. Si las ondas incidentes son de la forma y1=Asin(kxωt)y_1 = A \sin(kx - \omega t) y y2=Asin(kx+ωt)y_2 = A \sin(kx + \omega t), la onda resultante es:

y=y1+y2=Asin(kxωt)+Asin(kx+ωt)y = y_1 + y_2 = A \sin(kx - \omega t) + A \sin(kx + \omega t)

Aplicando la identidad trigonométrica sinα+sinβ=2sin(α+β2)cos(αβ2)\sin \alpha + \sin \beta = 2 \sin\left(\frac{\alpha + \beta}{2}\right) \cos\left(\frac{\alpha - \beta}{2}\right), obtenemos:

y=2Asin(kx)cos(ωt)=2Asin(kx)cos(ωt)y = 2A \sin(kx) \cos(-\omega t) = 2A \sin(kx) \cos(\omega t)

La amplitud de la onda estacionaria en una posición xx es Aestacionaria(x)=2Asin(kx)A_{estacionaria}(x) = |2A \sin(kx)|. Un vientre (antinodo) es un punto donde la amplitud es máxima, lo que ocurre cuando sin(kx)=1|\sin(kx)| = 1. En estos puntos, la amplitud es:

Avientre=2A1=2AA_{vientre} = 2A \cdot 1 = 2A

Por lo tanto, la amplitud de una onda estacionaria en un vientre es el doble de la amplitud AA de las ondas armónicas progresivas que la producen. La afirmación es verdadera.

ii) La distancia entre un nodo y un vientre consecutivo, en una onda estacionaria, es igual a media longitud de onda.

En una onda estacionaria, los nodos son puntos donde la amplitud es siempre cero, es decir, 2Asin(kx)=02A \sin(kx) = 0, lo que implica kx=nπkx = n\pi, donde n=0,1,2,...n = 0, 1, 2, .... Por tanto, las posiciones de los nodos son xN=nλ2x_N = n\frac{\lambda}{2}.Los vientres (antinodos) son puntos donde la amplitud es máxima, es decir, sin(kx)=1|\sin(kx)| = 1, lo que implica kx=(n+12)πkx = \left(n + \frac{1}{2}\right)\pi, donde n=0,1,2,...n = 0, 1, 2, .... Por tanto, las posiciones de los vientres son xV=(n+12)λ2=(2n+1)λ4x_V = \left(n + \frac{1}{2}\right)\frac{\lambda}{2} = (2n+1)\frac{\lambda}{4}.Tomemos un nodo en xN=0x_N = 0 (para n=0n=0). El vientre consecutivo más cercano se encuentra en xV=λ4x_V = \frac{\lambda}{4} (para n=0n=0). La distancia entre este nodo y el vientre consecutivo es:

Δx=xVxN=λ40=λ4\Delta x = x_V - x_N = \frac{\lambda}{4} - 0 = \frac{\lambda}{4}

La distancia entre un nodo y un vientre consecutivo es un cuarto de longitud de onda (λ/4\lambda/4), no media longitud de onda. La afirmación es falsa.