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Ondas armónicas
Problema
2025 · 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.
Ondas transversalesEcuación de ondaVelocidad de propagación
a) La longitud de onda y la velocidad de propagación.

A partir de la figura, 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, desde x=0x=0 hasta x=1.0 mx=1.0 \text{ m} se completa un ciclo.

λ=1.0 m\lambda = 1.0 \text{ m}

El problema indica 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}. Este tiempo corresponde al periodo TT de la onda.

T=0.5 sT = 0.5 \text{ s}

La velocidad de propagación vv se calcula utilizando la relación entre la longitud de onda y el periodo:

v=λTv = \frac{\lambda}{T}

Sustituyendo los valores:

v=1.0 m0.5 s=2.0 m/sv = \frac{1.0 \text{ m}}{0.5 \text{ s}} = 2.0 \text{ m/s}
b) La expresión matemática de la onda.

La expresión general para una onda transversal que se propaga en el sentido negativo del eje xx es:

y(x,t)=Asin(kx+ωt+ϕ0)y(x, t) = A \sin(kx + \omega t + \phi_0)

Donde AA es la amplitud, kk es el número de onda, ω\omega es la frecuencia angular y ϕ0\phi_0 es la fase inicial.Calculamos los parámetros necesarios:1. Amplitud (AA): Ya determinada, A=0.03 mA = 0.03 \text{ m}.2. Frecuencia angular (ω\omega): Se relaciona con el periodo TT:

ω=2πT=2π0.5 s=4π rad/s\omega = \frac{2\pi}{T} = \frac{2\pi}{0.5 \text{ s}} = 4\pi \text{ rad/s}

3. Número de onda (kk): Se relaciona con la longitud de onda λ\lambda:

k=2πλ=2π1.0 m=2π rad/mk = \frac{2\pi}{\lambda} = \frac{2\pi}{1.0 \text{ m}} = 2\pi \text{ rad/m}

4. Fase inicial (ϕ0\phi_0): La determinamos usando la condición inicial en x=0x=0 y t=0t=0. De la gráfica, en x=0,t=0x=0, t=0, la elongación es y(0,0)=3 cm=0.03 my(0, 0) = 3 \text{ cm} = 0.03 \text{ m}.

y(0,0)=Asin(k(0)+ω(0)+ϕ0)y(0, 0) = A \sin(k(0) + \omega(0) + \phi_0)
0.03 m=0.03 msin(ϕ0)0.03 \text{ m} = 0.03 \text{ m} \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 expresión general, la ecuación matemática de la onda es:

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

Donde yy y xx están en metros y tt en segundos. Alternativamente, usando la identidad trigonométrica sin(α+π/2)=cos(α)\sin(\alpha + \pi/2) = \cos(\alpha):

y(x,t)=0.03cos(2πx+4πt)y(x, t) = 0.03 \cos(2\pi x + 4\pi t)