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2025 · Extraordinaria · Titular
A2
Examen

Dos focos sonoros puntuales F1F_1 y F2F_2 están situados en las posiciones (0,3) m(0, 3) \text{ m} y (4,0) m(4, 0) \text{ m} del plano xyxy. Cuando emiten por separado, el nivel de intensidad sonora debido al foco 1 a una distancia de 2 m2 \text{ m} de este es β1=55 dB\beta_1 = 55 \text{ dB}, mientras que el nivel de intensidad sonora debido al foco 2 es β2=65 dB\beta_2 = 65 \text{ dB} a 2 m2 \text{ m} de este. Halle:

a) La intensidad y el nivel de intensidad sonora en el origen cuando ambos focos emiten simultáneamente.b) La distancia al foco F1F_1 del punto situado sobre el segmento que une ambos focos en el que las intensidades generadas por ambos focos son iguales.

Dato: Intensidad umbral, I0=11012 Wm2I_0 = 1 \cdot 10^{-12} \text{ W} \cdot \text{m}^{-2}.

Intensidad sonoraNivel de intensidadDecibelios
a) La intensidad y el nivel de intensidad sonora en el origen cuando ambos focos emiten simultáneamente.

Primero, calculamos las potencias de cada foco a partir de los niveles de intensidad dados.

β=10log10(II0)    I=I010β/10\beta = 10 \log_{10} \left( \frac{I}{I_0} \right) \implies I = I_0 \cdot 10^{\beta/10}

Para el foco F1F_1, a r1=2 mr_1' = 2 \text{ m}:

I1=I010β1/10=110121055/10=1012105.5=106.5 Wm2I_1' = I_0 \cdot 10^{\beta_1/10} = 1 \cdot 10^{-12} \cdot 10^{55/10} = 10^{-12} \cdot 10^{5.5} = 10^{-6.5} \text{ W} \cdot \text{m}^{-2}

La potencia P1P_1 del foco F1F_1 se obtiene de la intensidad a r1r_1':

I=P4πr2    P=I4πr2I = \frac{P}{4\pi r^2} \implies P = I \cdot 4\pi r^2
P1=I14π(r1)2=106.54π(2 m)2=16π106.5 WP_1 = I_1' \cdot 4\pi (r_1')^2 = 10^{-6.5} \cdot 4\pi (2\text{ m})^2 = 16\pi \cdot 10^{-6.5} \text{ W}

Para el foco F2F_2, a r2=2 mr_2' = 2 \text{ m}:

I2=I010β2/10=110121065/10=1012106.5=105.5 Wm2I_2' = I_0 \cdot 10^{\beta_2/10} = 1 \cdot 10^{-12} \cdot 10^{65/10} = 10^{-12} \cdot 10^{6.5} = 10^{-5.5} \text{ W} \cdot \text{m}^{-2}

La potencia P2P_2 del foco F2F_2 es:

P2=I24π(r2)2=105.54π(2 m)2=16π105.5 WP_2 = I_2' \cdot 4\pi (r_2')^2 = 10^{-5.5} \cdot 4\pi (2\text{ m})^2 = 16\pi \cdot 10^{-5.5} \text{ W}

Ahora, calculamos las distancias de cada foco al origen (0,0)(0,0):

r1=(00)2+(03)2=02+(3)2=3 mr_1 = \sqrt{(0-0)^2 + (0-3)^2} = \sqrt{0^2 + (-3)^2} = 3 \text{ m}
r2=(04)2+(00)2=(4)2+02=4 mr_2 = \sqrt{(0-4)^2 + (0-0)^2} = \sqrt{(-4)^2 + 0^2} = 4 \text{ m}

Calculamos la intensidad en el origen debido a cada foco:

I1=P14πr12=16π106.54π(3)2=49106.5 Wm2I_1 = \frac{P_1}{4\pi r_1^2} = \frac{16\pi \cdot 10^{-6.5}}{4\pi (3)^2} = \frac{4}{9} \cdot 10^{-6.5} \text{ W} \cdot \text{m}^{-2}
I2=P24πr22=16π105.54π(4)2=16π105.564π=14105.5 Wm2I_2 = \frac{P_2}{4\pi r_2^2} = \frac{16\pi \cdot 10^{-5.5}}{4\pi (4)^2} = \frac{16\pi \cdot 10^{-5.5}}{64\pi} = \frac{1}{4} \cdot 10^{-5.5} \text{ W} \cdot \text{m}^{-2}

La intensidad total ItotalI_{total} en el origen, cuando ambos focos emiten simultáneamente, es la suma de las intensidades (asumiendo fuentes incoherentes):

Itotal=I1+I2=49106.5+14105.5I_{total} = I_1 + I_2 = \frac{4}{9} \cdot 10^{-6.5} + \frac{1}{4} \cdot 10^{-5.5}

Para sumar, expresamos ambas potencias de diez con el mismo exponente:

Itotal=49(101105.5)+14105.5=(490+14)105.5I_{total} = \frac{4}{9} \cdot (10^{-1} \cdot 10^{-5.5}) + \frac{1}{4} \cdot 10^{-5.5} = \left( \frac{4}{90} + \frac{1}{4} \right) \cdot 10^{-5.5}
Itotal=(8180+45180)105.5=53180105.5 Wm2I_{total} = \left( \frac{8}{180} + \frac{45}{180} \right) \cdot 10^{-5.5} = \frac{53}{180} \cdot 10^{-5.5} \text{ W} \cdot \text{m}^{-2}

Calculando el valor numérico de la intensidad total:

Itotal=53180105.50.29443.1621069.31107 Wm2I_{total} = \frac{53}{180} \cdot 10^{-5.5} \approx 0.2944 \cdot 3.162 \cdot 10^{-6} \approx 9.31 \cdot 10^{-7} \text{ W} \cdot \text{m}^{-2}

El nivel de intensidad sonora total βtotal\beta_{total} en el origen es:

βtotal=10log10(ItotalI0)=10log10(53180105.511012)\beta_{total} = 10 \log_{10} \left( \frac{I_{total}}{I_0} \right) = 10 \log_{10} \left( \frac{\frac{53}{180} \cdot 10^{-5.5}}{1 \cdot 10^{-12}} \right)
βtotal=10log10(53180106.5)\beta_{total} = 10 \log_{10} \left( \frac{53}{180} \cdot 10^{6.5} \right)
βtotal=10(log10(53180)+6.5)\beta_{total} = 10 \left( \log_{10} \left( \frac{53}{180} \right) + 6.5 \right)
βtotal10(log10(0.2944)+6.5)10(0.5309+6.5)10(5.9691)59.7 dB\beta_{total} \approx 10 (\log_{10}(0.2944) + 6.5) \approx 10 (-0.5309 + 6.5) \approx 10 (5.9691) \approx 59.7 \text{ dB}
b) La distancia al foco F1F_1 del punto situado sobre el segmento que une ambos focos en el que las intensidades generadas por ambos focos son iguales.

Primero, calculamos la distancia total dd entre los focos F1(0,3)F_1(0,3) y F2(4,0)F_2(4,0):

d=(40)2+(03)2=42+(3)2=16+9=25=5 md = \sqrt{(4-0)^2 + (0-3)^2} = \sqrt{4^2 + (-3)^2} = \sqrt{16+9} = \sqrt{25} = 5 \text{ m}

Sea r1r_1 la distancia desde el punto PP al foco F1F_1. Como el punto PP está sobre el segmento que une ambos focos, la distancia desde PP al foco F2F_2 será r2=dr1=5r1r_2 = d - r_1 = 5 - r_1.En el punto PP, las intensidades generadas por ambos focos son iguales: I1(P)=I2(P)I_1(P) = I_2(P).

P14πr12=P24πr22\frac{P_1}{4\pi r_1^2} = \frac{P_2}{4\pi r_2^2}
P1r12=P2(5r1)2\frac{P_1}{r_1^2} = \frac{P_2}{(5-r_1)^2}

Sustituimos las expresiones para P1P_1 y P2P_2:

16π106.5r12=16π105.5(5r1)2\frac{16\pi \cdot 10^{-6.5}}{r_1^2} = \frac{16\pi \cdot 10^{-5.5}}{(5-r_1)^2}

Simplificamos la expresión:

106.5r12=105.5(5r1)2\frac{10^{-6.5}}{r_1^2} = \frac{10^{-5.5}}{(5-r_1)^2}
(5r1)2r12=105.5106.5=10(5.5(6.5))=101=10\frac{(5-r_1)^2}{r_1^2} = \frac{10^{-5.5}}{10^{-6.5}} = 10^{(-5.5 - (-6.5))} = 10^{1} = 10
(5r1r1)2=10\left( \frac{5-r_1}{r_1} \right)^2 = 10

Tomamos la raíz cuadrada. Como r1r_1 es una distancia y el punto está en el segmento, r1>0r_1 > 0 y 5r1>05-r_1 > 0, así que tomamos la raíz positiva:

5r1r1=10\frac{5-r_1}{r_1} = \sqrt{10}
5r1=r1105 - r_1 = r_1 \sqrt{10}
5=r1(1+10)5 = r_1 (1 + \sqrt{10})
r1=51+10r_1 = \frac{5}{1 + \sqrt{10}}

Calculando el valor numérico:

r151+3.16227766=54.162277661.201 mr_1 \approx \frac{5}{1 + 3.16227766} = \frac{5}{4.16227766} \approx 1.201 \text{ m}

La distancia al foco F1F_1 es aproximadamente 1.20 m1.20 \text{ m}.