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Ondas estacionarias
Teoría
2019 · Extraordinaria · Titular
3A-a
Examen
a) Escriba la ecuación general de una onda estacionaría. Explique el significado físico de cada una de las magnitudes que aparecen en dicha ecuación y relaciónelas con los parámetros de las ondas que la han originado. ¿Cómo se denominan y cuál es el significado físico de los puntos de máxima y mínima amplitud?
Ecuación de ondaNodosVientres
a) La ecuación general de una onda estacionaria se obtiene por la superposición de dos ondas armónicas idénticas que se propagan en sentidos opuestos. Una forma común de representarla es:
y(x,t)=2Asin(kx)cos(ωt)y(x,t) = 2A \sin(kx) \cos(\omega t)

Donde:- y(x,t)y(x,t): Representa el desplazamiento (o perturbación) de una partícula del medio en la posición xx y en el instante tt. Su unidad en el Sistema Internacional (SI) es el metro (m).- AA: Es la amplitud de cada una de las ondas progresivas que la originan. Sus unidades en el SI son metros (m).- kk: Es el número de onda. Se define como k=2πλk = \frac{2\pi}{\lambda}, donde λ\lambda es la longitud de onda. Su unidad en el SI es el radián por metro (rad/m) o m1\text{m}^{-1}.- xx: Es la posición de la partícula a lo largo de la dirección de propagación. Su unidad en el SI es el metro (m).- ω\omega: Es la frecuencia angular (o pulsación). Se define como ω=2πf=2πT\omega = 2\pi f = \frac{2\pi}{T}, donde ff es la frecuencia y TT es el periodo. Su unidad en el SI es el radián por segundo (rad/s) o s1\text{s}^{-1}.- tt: Es el tiempo. Su unidad en el SI es el segundo (s).La magnitud 2A2A se denomina la amplitud de la onda estacionaria, la cual depende de la posición xx. Así, la amplitud de oscilación de cada punto del medio viene dada por Ae(x)=2Asin(kx)A_e(x) = |2A \sin(kx)|.Relación con los parámetros de las ondas que la han originado:La onda estacionaria se forma por la superposición de dos ondas progresivas armónicas idénticas, por ejemplo, y1(x,t)=Asin(kxωt)y_1(x,t) = A \sin(kx - \omega t) y y2(x,t)=Asin(kx+ωt)y_2(x,t) = A \sin(kx + \omega t). Por lo tanto, las magnitudes de la onda estacionaria están directamente relacionadas con las de las ondas progresivas originales:- La amplitud máxima de la onda estacionaria, 2A2A, es el doble de la amplitud de las ondas progresivas que la originan.- El número de onda kk y la frecuencia angular ω\omega son los mismos que los de las ondas progresivas.- Consecuentemente, la longitud de onda λ=2πk\lambda = \frac{2\pi}{k}, la frecuencia f=ω2πf = \frac{\omega}{2\pi} y el periodo T=2πωT = \frac{2\pi}{\omega} de la onda estacionaria son idénticos a los de las ondas progresivas originales.Los puntos de máxima y mínima amplitud se denominan Nodos y Antinodos (o Vientres) respectivamente.- Nodos: Son los puntos de mínima amplitud, donde la amplitud de oscilación es siempre nula. Su significado físico es que las partículas del medio en estas posiciones permanecen en reposo constante. Se producen donde sin(kx)=0\sin(kx) = 0, lo que ocurre para kx=nπkx = n\pi, es decir, x=nλ2x = n\frac{\lambda}{2}, con n=0,1,2,...n = 0, 1, 2, .... La distancia entre dos nodos consecutivos es λ/2\lambda/2.- Antinodos (o Vientres): Son los puntos de máxima amplitud, donde la amplitud de oscilación es 2A2A. Su significado físico es que las partículas del medio en estas posiciones oscilan con la máxima amplitud posible de la onda estacionaria. Se producen donde sin(kx)=1|\sin(kx)| = 1, lo que ocurre para kx=(n+12)πkx = (n + \frac{1}{2})\pi, es decir, x=(2n+1)λ4x = (2n+1)\frac{\lambda}{4}, con n=0,1,2,...n = 0, 1, 2, .... La distancia entre dos antinodos consecutivos es λ/2\lambda/2, y la distancia entre un nodo y un antinodo consecutivo es λ/4\lambda/4.