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2022 · Extraordinaria · Reserva
C2-b
Examen
b) Una onda viene dada por la expresión: y(x,t)=0,5cos(0,8x)sin(20t) (S.I.)y(x,t) = 0,5 \cdot \cos(0,8 x) \cdot \sin(20 t) \text{ (S.I.)}. Indique qué tipo de onda es y calcule su amplitud, frecuencia y longitud de onda, así como la velocidad de oscilación máxima de un punto situado en x=0,2 mx = 0,2 \text{ m}.
Función de ondaAmplitudVelocidad de oscilación
b) La expresión de la onda es y(x,t)=0,5cos(0,8x)sin(20t)y(x,t) = 0,5 \cdot \cos(0,8 x) \cdot \sin(20 t). Una onda que se expresa como el producto de una función que depende solo de la posición y otra que depende solo del tiempo, como y(x,t)=A0f(x)g(t)y(x,t) = A_0 \cdot f(x) \cdot g(t), corresponde a una onda estacionaria.

Comparando la expresión dada con la forma general de una onda estacionaria y(x,t)=Amaxcos(kx)sin(ωt)y(x,t) = A_{max} \cos(kx) \sin(\omega t) (o una variación con seno en x y/o coseno en t), identificamos los parámetros:

Amax=0,5 mA_{max} = 0,5 \text{ m}
k=0,8 rad/mk = 0,8 \text{ rad/m}
ω=20 rad/s\omega = 20 \text{ rad/s}

La amplitud de la onda estacionaria (es decir, la amplitud máxima que alcanza un vientre) es:

A=0,5 mA = 0,5 \text{ m}

La frecuencia angular es ω=20 rad/s\omega = 20 \text{ rad/s}. Podemos calcular la frecuencia ff a partir de la relación:

ω=2πf    f=ω2π\omega = 2\pi f \implies f = \frac{\omega}{2\pi}
f=20 rad/s2π rad3,18 Hzf = \frac{20 \text{ rad/s}}{2\pi \text{ rad}} \approx 3,18 \text{ Hz}

El número de onda es k=0,8 rad/mk = 0,8 \text{ rad/m}. Podemos calcular la longitud de onda λ\lambda a partir de la relación:

k=2πλ    λ=2πkk = \frac{2\pi}{\lambda} \implies \lambda = \frac{2\pi}{k}
λ=2π rad0,8 rad/m7,85 m\lambda = \frac{2\pi \text{ rad}}{0,8 \text{ rad/m}} \approx 7,85 \text{ m}

Para calcular la velocidad de oscilación de un punto, derivamos la expresión de la onda respecto al tiempo:

v(x,t)=y(x,t)t=t[0,5cos(0,8x)sin(20t)]v(x,t) = \frac{\partial y(x,t)}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial t} \left[0,5 \cdot \cos(0,8 x) \cdot \sin(20 t)\right]
v(x,t)=0,5cos(0,8x)(20)cos(20t)v(x,t) = 0,5 \cdot \cos(0,8 x) \cdot (20) \cdot \cos(20 t)
v(x,t)=10cos(0,8x)cos(20t)(S.I.)v(x,t) = 10 \cdot \cos(0,8 x) \cdot \cos(20 t) \quad (\text{S.I.})

La velocidad de oscilación máxima de un punto se obtiene cuando cos(20t)=±1\cos(20t) = \pm 1. Por lo tanto, la amplitud de la velocidad de oscilación en cualquier punto xx es:

vmax(x)=10cos(0,8x)v_{max}(x) = |10 \cdot \cos(0,8 x)|

Para un punto situado en x=0,2 mx = 0,2 \text{ m}, sustituimos este valor en la expresión anterior (asegurándose de que la calculadora esté en modo radianes para el coseno):

vmax(0,2 m)=10cos(0,80,2)v_{max}(0,2 \text{ m}) = |10 \cdot \cos(0,8 \cdot 0,2)|
vmax(0,2 m)=10cos(0,16 rad)v_{max}(0,2 \text{ m}) = |10 \cdot \cos(0,16 \text{ rad})|
vmax(0,2 m)100,9872v_{max}(0,2 \text{ m}) \approx |10 \cdot 0,9872|
vmax(0,2 m)9,872 m/sv_{max}(0,2 \text{ m}) \approx 9,872 \text{ m/s}