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Ondas armónicas
Problema
2024 · Ordinaria · Titular
A2
Examen

Por una cuerda tensa dispuesta a lo largo del eje xx se propaga, a una velocidad de 200 m/s200 \text{ m/s} en el sentido positivo del eje, una onda armónica de 0,4 m0,4 \text{ m} de longitud de onda. En el instante inicial y en el origen de coordenadas, la elongación es positiva y también lo es la velocidad de oscilación, que equivale a la mitad de su valor máximo. Obtenga:

a) El número de onda y la frecuencia de la onda.b) La fase inicial de la onda.
ecuación de ondanúmero de ondafrecuencia+1
a) El número de onda y la frecuencia de la onda.

El número de onda kk se relaciona con la longitud de onda λ\lambda mediante la expresión:

k=2πλk = \frac{2\pi}{\lambda}

Sustituyendo el valor de la longitud de onda λ=0,4 m\lambda = 0,4 \text{ m}:

k=2π0,4 m=5π rad/m15,71 rad/mk = \frac{2\pi}{0,4 \text{ m}} = 5\pi \text{ rad/m} \approx 15,71 \text{ rad/m}

La frecuencia ff de la onda se puede obtener de la relación entre la velocidad de propagación vv, la longitud de onda λ\lambda y la frecuencia:

v=λfv = \lambda f

Despejando ff y sustituyendo los valores v=200 m/sv = 200 \text{ m/s} y λ=0,4 m\lambda = 0,4 \text{ m}:

f=vλ=200 m/s0,4 m=500 Hzf = \frac{v}{\lambda} = \frac{200 \text{ m/s}}{0,4 \text{ m}} = 500 \text{ Hz}
b) La fase inicial de la onda.

La ecuación general de una onda armónica que se propaga en el sentido positivo del eje xx es:

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

donde AA es la amplitud, kk el número de onda, ω\omega la frecuencia angular y ϕ0\phi_0 la fase inicial. La frecuencia angular es ω=2πf=2π(500 Hz)=1000π rad/s\omega = 2\pi f = 2\pi (500 \text{ Hz}) = 1000\pi \text{ rad/s}.La velocidad de oscilación de un punto de la cuerda es la derivada de la elongación con respecto al tiempo:

vy(x,t)=yt=Aωcos(kxωt+ϕ0)v_y(x,t) = \frac{\partial y}{\partial t} = -A\omega \cos(kx - \omega t + \phi_0)

El valor máximo de la velocidad de oscilación es vy,max=Aωv_{y,max} = A\omega.Aplicamos las condiciones iniciales en el origen de coordenadas (x=0x=0) y en el instante inicial (t=0t=0):1. La elongación es positiva: y(0,0)=Asin(ϕ0)>0y(0,0) = A \sin(\phi_0) > 0. Dado que la amplitud AA es siempre positiva, esto implica que sin(ϕ0)>0\sin(\phi_0) > 0. Esto sitúa a ϕ0\phi_0 en el primer o segundo cuadrante.2. La velocidad de oscilación es positiva y equivale a la mitad de su valor máximo: vy(0,0)=Aωcos(ϕ0)=12Aωv_y(0,0) = -A\omega \cos(\phi_0) = \frac{1}{2} A\omega. Simplificando, cos(ϕ0)=12-\cos(\phi_0) = \frac{1}{2}, lo que significa que cos(ϕ0)=12\cos(\phi_0) = -\frac{1}{2}. Esto sitúa a ϕ0\phi_0 en el segundo o tercer cuadrante.Para que se cumplan ambas condiciones (sin(ϕ0)>0\sin(\phi_0) > 0 y cos(ϕ0)=12\cos(\phi_0) = -\frac{1}{2}), la fase inicial ϕ0\phi_0 debe estar en el segundo cuadrante.El ángulo cuyo coseno es 12-\frac{1}{2} en el segundo cuadrante es:

ϕ0=2π3 rad\phi_0 = \frac{2\pi}{3} \text{ rad}