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Ondas estacionarias
Problema
2022 · Extraordinaria · Suplente
C2-b
Examen
b) Una onda estacionaria viene dada por la expresión: y(x,t)=0,02sen(0,25πx)cos(10πt)y(x,t) = 0,02 \cdot \text{sen}(0,25\pi x) \cdot \text{cos}(10\pi t) (S.I.). i) Determine las posiciones de los vientres de la onda estacionaria. ii) Determine la amplitud, frecuencia, longitud de onda y velocidad de propagación de las ondas armónicas cuya superposición da lugar a la onda estacionaria.
vientresnodosamplitud+1
b) La expresión de una onda estacionaria es y(x,t)=0,02sen(0,25πx)cos(10πt)y(x,t) = 0,02 \cdot \text{sen}(0,25\pi x) \cdot \text{cos}(10\pi t) (S.I.).i) Determine las posiciones de los vientres de la onda estacionaria.

La expresión general de una onda estacionaria es y(x,t)=Amaxsen(kx)cos(ωt)y(x,t) = A_{max} \cdot \text{sen}(kx) \cdot \text{cos}(\omega t). En esta forma, la amplitud de la oscilación en cualquier punto xx es Aest(x)=Amaxsen(kx)A_{est}(x) = A_{max} \cdot \text{sen}(kx). Los vientres (o antinodos) son los puntos donde la amplitud es máxima, es decir, donde sen(kx)=1|\text{sen}(kx)| = 1.Comparando la expresión dada con la forma general, tenemos que la amplitud espacial es 0,02sen(0,25πx)0,02 \cdot \text{sen}(0,25\pi x). Para que haya un vientre, se debe cumplir:

sen(0,25πx)=1|\text{sen}(0,25\pi x)| = 1

Esto ocurre cuando el argumento del seno es un múltiplo impar de π2\frac{\pi}{2}:

0,25πx=(n+12)πdonde n=0,1,2,0,25\pi x = \left(n + \frac{1}{2}\right)\pi \quad \text{donde } n = 0, 1, 2, \dots

Despejamos xx:

0,25x=n+120,25 x = n + \frac{1}{2}
x=n+120,25=4(n+12)x = \frac{n + \frac{1}{2}}{0,25} = 4\left(n + \frac{1}{2}\right)
x=(4n+2) mx = (4n + 2) \text{ m}

Las posiciones de los vientres son, para n=0,1,2,n=0, 1, 2, \dots: x=2 m,6 m,10 m,x = 2 \text{ m}, 6 \text{ m}, 10 \text{ m}, \dots

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(kxωt)y_1(x,t) = A \text{sen}(kx - \omega t) y y2(x,t)=Asen(kx+ωt)y_2(x,t) = A \text{sen}(kx + \omega t), es:

y(x,t)=2Asen(kx)cos(ωt)y(x,t) = 2A \text{sen}(kx) \text{cos}(\omega t)

Comparando con la expresión dada: y(x,t)=0,02sen(0,25πx)cos(10πt)y(x,t) = 0,02 \cdot \text{sen}(0,25\pi x) \cdot \text{cos}(10\pi t) De la comparación obtenemos:- Amplitud (AA): 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 m2A = 0,02 \text{ m} \implies A = 0,01 \text{ m}

- Número de onda (kk):

k=0,25π rad/mk = 0,25\pi \text{ rad/m}

- Frecuencia angular (ω\omega):

ω=10π rad/s\omega = 10\pi \text{ rad/s}

Ahora calculamos las propiedades solicitadas:- Longitud de onda (λ\lambda): Se relaciona con el número de onda kk mediante la fórmula k=2πλk = \frac{2\pi}{\lambda}.

λ=2πk=2π0,25π rad/m=20,25 m=8 m\lambda = \frac{2\pi}{k} = \frac{2\pi}{0,25\pi \text{ rad/m}} = \frac{2}{0,25} \text{ m} = 8 \text{ m}

- Frecuencia (f): Se relaciona con la frecuencia angular ω\omega mediante la fórmula ω=2πf\omega = 2\pi f.

f=ω2π=10π rad/s2π=5 Hzf = \frac{\omega}{2\pi} = \frac{10\pi \text{ rad/s}}{2\pi} = 5 \text{ 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/sv = \lambda f = (8 \text{ m}) \cdot (5 \text{ Hz}) = 40 \text{ m/s}

Alternativamente:

v=ωk=10π rad/s0,25π rad/m=100,25 m/s=40 m/sv = \frac{\omega}{k} = \frac{10\pi \text{ rad/s}}{0,25\pi \text{ rad/m}} = \frac{10}{0,25} \text{ m/s} = 40 \text{ m/s}