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Ondas mecánicas: armónicas y estacionarias

Castilla y León · 2019 · Julio · Opción B
Enunciado
Durante una fuerte explosión, un detector situado a 35 m35\ \text{m} mide una intensidad sonora de 80 W m−280\ \text{W}\,\text{m}^{-2}. Determine:

a) La potencia del sonido producido por la explosión. (0,75 puntos)

b) El nivel de intensidad sonora en un punto situado a 600 m600\ \text{m} de la explosión. (0,75 puntos)

Dato: Intensidad física umbral I0=10−12 W m−2I_0 = 10^{-12}\ \text{W}\,\text{m}^{-2}
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Resultado
  P=1,23⋅106 W  \boxed{\;P = 1{,}23\cdot 10^{6}\ \text{W}\;}  I=0,272 W m−2β=114 dB  \boxed{\;I = 0{,}272\ \text{W}\,\text{m}^{-2}\qquad \beta = 114\ \text{dB}\;}
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Estrategia

Tratamos la explosión como un foco puntual que emite por igual en todas direcciones: su potencia se reparte sobre esferas cada vez mayores, I=P/(4πr2)I = P/(4\pi r^2). Con la intensidad a 35 m35\ \text{m} sale la potencia; con ella (o con la proporción I∝1/r2I \propto 1/r^2), la intensidad a 600 m600\ \text{m}, y de ahí el nivel en decibelios.
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Desarrollo

a) La potencia atraviesa entera una esfera de radio r=35 mr = 35\ \text{m} centrada en la explosión (sin absorción en el aire):P=I⋅4πr2=80⋅4π⋅352=1,23⋅106 WP = I\cdot 4\pi r^2 = 80\cdot 4\pi\cdot 35^2 = 1{,}23\cdot 10^{6}\ \text{W}b) Como la potencia es la misma sobre cualquier esfera, la intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia:I2=I1(r1r2)2=80⋅(35600)2=0,272 W m−2I_2 = I_1\left(\frac{r_1}{r_2}\right)^2 = 80\cdot\left(\frac{35}{600}\right)^2 = 0{,}272\ \text{W}\,\text{m}^{-2}Nivel de intensidad sonora:β=10log⁡I2I0=10log⁡0,272210−12=114 dB\beta = 10\log\frac{I_2}{I_0} = 10\log\frac{0{,}2722}{10^{-12}} = 114\ \text{dB}Más exactamente, 114,3 dB114{,}3\ \text{dB}: a 600 m600\ \text{m} el sonido sigue estando cerca del umbral del dolor (unos 120 dB120\ \text{dB}, que corresponden a 1 W m−21\ \text{W}\,\text{m}^{-2}), lo que da idea de la violencia de la explosión. A 35 m35\ \text{m} el nivel era de 139 dB139\ \text{dB}, muy por encima de ese umbral.
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Consejo

La intensidad baja con 1/r21/r^2, pero el nivel en decibelios no: baja con el logaritmo. Calcula primero la intensidad en el punto y solo al final pasa a decibelios.

La superficie es la de una esfera, 4πr24\pi r^2, no la de un círculo πr2\pi r^2.
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