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Ondas armónicas
Problema
2020 · Extraordinaria · Titular
3-b
Examen

La ecuación de una onda que se propaga por una cuerda tensa es: y(x,t)=5sin⁡(50πt−20πx) (S.I.)y(x,t) = 5 \sin(50\pi t - 20\pi x) \text{ (S.I.)}

b) Calcule: i) la velocidad de propagación de la onda, ii) la velocidad del punto x=0x = 0 de la cuerda en el instante t=1 st = 1 \text{ s}. iii) La diferencia de fase, en un mismo instante, entre dos puntos separados 1 m1 \text{ m}.
Ecuación de ondaVelocidad de propagaciónFase

La ecuación de una onda armónica transversal que se propaga por una cuerda es de la forma general y(x,t)=Asin⁡(ωt−kx)y(x,t) = A \sin(\omega t - kx). Comparando con la ecuación dada y(x,t)=5sin⁡(50πt−20πx)y(x,t) = 5 \sin(50\pi t - 20\pi x) (S.I.), identificamos los siguientes parámetros:

A=5 mA = 5 \text{ m}
ω=50π rad/s\omega = 50\pi \text{ rad/s}
k=20π rad/mk = 20\pi \text{ rad/m}
b) Calcule:i) la velocidad de propagación de la onda.

La velocidad de propagación de la onda vv se calcula como el cociente entre la frecuencia angular ω\omega y el número de onda kk:

v=ωkv = \frac{\omega}{k}

Sustituyendo los valores:

v=50π rad/s20π rad/m=2.5 m/sv = \frac{50\pi \text{ rad/s}}{20\pi \text{ rad/m}} = 2.5 \text{ m/s}
ii) la velocidad del punto x=0x = 0 de la cuerda en el instante t=1 st = 1 \text{ s}.

La velocidad transversal de un punto de la cuerda, vy(x,t)v_y(x,t), se obtiene derivando la ecuación de la onda con respecto al tiempo tt:

vy(x,t)=∂y∂t=∂∂t[5sin⁡(50πt−20πx)]v_y(x,t) = \frac{\partial y}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial t} [5 \sin(50\pi t - 20\pi x)]
vy(x,t)=5⋅(50π)cos⁡(50πt−20πx)v_y(x,t) = 5 \cdot (50\pi) \cos(50\pi t - 20\pi x)
vy(x,t)=250πcos⁡(50πt−20πx)v_y(x,t) = 250\pi \cos(50\pi t - 20\pi x)

Ahora, sustituimos x=0 mx = 0 \text{ m} y t=1 st = 1 \text{ s}:

vy(0,1)=250πcos⁡(50π⋅1−20π⋅0)v_y(0,1) = 250\pi \cos(50\pi \cdot 1 - 20\pi \cdot 0)
vy(0,1)=250πcos⁡(50π)v_y(0,1) = 250\pi \cos(50\pi)

Dado que cos⁡(nπ)=1\cos(n\pi) = 1 para nn par (y 5050 es par):

vy(0,1)=250π⋅1=250π m/sv_y(0,1) = 250\pi \cdot 1 = 250\pi \text{ m/s}
vy(0,1)≈250⋅3.14159 m/s≈785.4 m/sv_y(0,1) \approx 250 \cdot 3.14159 \text{ m/s} \approx 785.4 \text{ m/s}
iii) La diferencia de fase, en un mismo instante, entre dos puntos separados 1 m1 \text{ m}.

La diferencia de fase Δϕ\Delta\phi entre dos puntos x1x_1 y x2x_2 en un mismo instante tt se calcula como:

Δϕ=ϕ(x2,t)−ϕ(x1,t)=(ωt−kx2)−(ωt−kx1)\Delta\phi = \phi(x_2,t) - \phi(x_1,t) = (\omega t - kx_2) - (\omega t - kx_1)
Δϕ=−k(x2−x1)=−kΔx\Delta\phi = -k(x_2 - x_1) = -k \Delta x

Donde Δx\Delta x es la separación entre los dos puntos, que es 1 m1 \text{ m}. Sustituyendo el valor de kk:

Δϕ=−(20π rad/m)⋅(1 m)\Delta\phi = -(20\pi \text{ rad/m}) \cdot (1 \text{ m})
Δϕ=−20π rad\Delta\phi = -20\pi \text{ rad}

El signo negativo indica que el punto más alejado del origen tiene un retraso de fase respecto al punto más cercano.