b) La expresión de una onda estacionaria es y(x,t)=0,02⋅sen(0,25πx)⋅cos(10πt) (S.I.).i) Determine las posiciones de los vientres de la onda estacionaria.La expresión general de una onda estacionaria es y(x,t)=Amax⋅sen(kx)⋅cos(ωt). En esta forma, la amplitud de la oscilación en cualquier punto x es Aest(x)=Amax⋅sen(kx). Los vientres (o antinodos) son los puntos donde la amplitud es máxima, es decir, donde ∣sen(kx)∣=1.Comparando la expresión dada con la forma general, tenemos que la amplitud espacial es 0,02⋅sen(0,25πx). Para que haya un vientre, se debe cumplir:
∣sen(0,25πx)∣=1 Esto ocurre cuando el argumento del seno es un múltiplo impar de 2π:
0,25πx=(n+21)πdonde n=0,1,2,… Despejamos x:
0,25x=n+21 x=0,25n+21=4(n+21) x=(4n+2) m Las posiciones de los vientres son, para n=0,1,2,…: x=2 m,6 m,10 m,…
ii) Determine la amplitud, frecuencia, longitud de onda y velocidad de propagación de las ondas armónicas cuya superposición da lugar a la onda estacionaria.La expresión general de una onda estacionaria generada por la superposición de dos ondas armónicas idénticas que viajan en direcciones opuestas, y1(x,t)=Asen(kx−ωt) y y2(x,t)=Asen(kx+ωt), es:
y(x,t)=2Asen(kx)cos(ωt) Comparando con la expresión dada: y(x,t)=0,02⋅sen(0,25πx)⋅cos(10πt) De la comparación obtenemos:- Amplitud (A): La amplitud de las ondas armónicas individuales es la mitad de la amplitud máxima de la onda estacionaria.
2A=0,02 m⟹A=0,01 m - Número de onda (k):
k=0,25π rad/m - Frecuencia angular (ω):
ω=10π rad/s Ahora calculamos las propiedades solicitadas:- Longitud de onda (λ): Se relaciona con el número de onda k mediante la fórmula k=λ2π.
λ=k2π=0,25π rad/m2π=0,252 m=8 m - Frecuencia (f): Se relaciona con la frecuencia angular ω mediante la fórmula ω=2πf.
f=2πω=2π10π rad/s=5 Hz - Velocidad de propagación (v): Se puede calcular como el producto de la longitud de onda por la frecuencia, o como la relación entre la frecuencia angular y el número de onda.
v=λf=(8 m)⋅(5 Hz)=40 m/s Alternativamente:
v=kω=0,25π rad/m10π rad/s=0,2510 m/s=40 m/s