AndalucíaAndalucía
MadridMadrid
CataluñaCataluña
GaliciaGalicia
MurciaMurcia
ValenciaValencia
En construcciónAñadimos comunidades, materias, años y soluciones de forma progresiva y constante.
Ondas transversales y expresión matemática
Problema
2024 · Extraordinaria · Titular
B2
Examen

En la figura se representa la elongación de una onda transversal en el instante t=0t = 0 en función de la posición xx. La onda se propaga en el sentido negativo del eje xx. Sabiendo que el tiempo que tarda el punto situado en x=0x = 0 desde que sale de su posición inicial (t=0t = 0) hasta que vuelve a la misma es de 0,5 s0,5 \text{ s}, determine:

Imagen del ejercicio
a) La longitud de onda y la velocidad de propagación.b) La expresión matemática de la onda.
OndasVelocidad de propagaciónEcuación de onda
a) La longitud de onda y la velocidad de propagación.

A partir de la gráfica proporcionada, podemos determinar la amplitud y la longitud de onda de la onda transversal. La amplitud (AA) es el desplazamiento máximo desde la posición de equilibrio, que es 3 cm3 \text{ cm}.

A=3 cm=0.03 mA = 3 \text{ cm} = 0.03 \text{ m}

La longitud de onda (λ\lambda) es la distancia espacial de un ciclo completo de la onda. Observando la gráfica, un ciclo completo se extiende desde x=0x = 0 hasta x=1.5 mx = 1.5 \text{ m} (de un pico al siguiente pico).

λ=1.5 m\lambda = 1.5 \text{ m}

El tiempo que tarda el punto situado en x=0x = 0 en volver a su posición inicial es el periodo (TT). Según el enunciado, este tiempo es 0.5 s0.5 \text{ s}.

T=0.5 sT = 0.5 \text{ s}

La frecuencia (ff) es la inversa del periodo:

f=1T=10.5 s=2 Hzf = \frac{1}{T} = \frac{1}{0.5 \text{ s}} = 2 \text{ Hz}

La velocidad de propagación (vv) de la onda se calcula como el producto de la longitud de onda y la frecuencia, o la longitud de onda dividida por el periodo:

v=λf=λTv = \lambda f = \frac{\lambda}{T}
v=(1.5 m)(2 Hz)=3 m/sv = (1.5 \text{ m})(2 \text{ Hz}) = 3 \text{ m/s}
b) La expresión matemática de la onda.

La expresión general de una onda transversal que se propaga es y(x,t)=Asin(kx±ωt+ϕ0)y(x,t) = A \sin(kx \pm \omega t + \phi_0). Dado que la onda se propaga en el sentido negativo del eje xx, el signo entre kxkx y ωt\omega t es positivo. Por lo tanto, la ecuación es y(x,t)=Asin(kx+ωt+ϕ0)y(x,t) = A \sin(kx + \omega t + \phi_0). Necesitamos calcular la frecuencia angular (ω\omega), el número de onda (kk) y la fase inicial (ϕ0\phi_0).Frecuencia angular (ω\omega):

ω=2πf=2π(2 Hz)=4π rad/s\omega = 2\pi f = 2\pi (2 \text{ Hz}) = 4\pi \text{ rad/s}

Número de onda (kk):

k=2πλ=2π1.5 m=4π3 rad/mk = \frac{2\pi}{\lambda} = \frac{2\pi}{1.5 \text{ m}} = \frac{4\pi}{3} \text{ rad/m}

Fase inicial (ϕ0\phi_0): Utilizamos la condición inicial en t=0t=0 y x=0x=0. Según la gráfica, y(0,0)=3 cmy(0,0) = 3 \text{ cm}. Sustituyendo en la ecuación de la onda:

y(0,0)=Asin(k(0)+ω(0)+ϕ0)y(0,0) = A \sin(k(0) + \omega(0) + \phi_0)
3 cm=3 cmsin(ϕ0)3 \text{ cm} = 3 \text{ cm} \sin(\phi_0)
sin(ϕ0)=1\sin(\phi_0) = 1
ϕ0=π2 rad\phi_0 = \frac{\pi}{2} \text{ rad}

Sustituyendo todos los valores en la ecuación de la onda, obtenemos:

y(x,t)=0.03sin(4π3x+4πt+π2)y(x,t) = 0.03 \sin\left(\frac{4\pi}{3} x + 4\pi t + \frac{\pi}{2}\right)

Donde yy y xx se expresan en metros, y tt en segundos.