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Ondas mecánicas: armónicas y estacionarias

Castilla y León · 2021 · Julio
Enunciado
Una fuente genera ondas armónicas de 0,4 mm0{,}4\ \text{mm} de amplitud y 12 000 Hz12\,000\ \text{Hz} de frecuencia que se propagan a una velocidad de 340 m s−1340\ \text{m}\,\text{s}^{-1} en el sentido positivo del eje xx. Si en el instante inicial la elongación en el origen es cero, determine la ecuación general de la onda.
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Resultado
  y(x,t)=4,0⋅10−4 sen(24 000 π t−70,6 π x) m  \boxed{\;y(x,t) = 4{,}0\cdot 10^{-4}\,\text{sen}\left(24\,000\,\pi\,t - 70{,}6\,\pi\,x\right)\ \text{m}\;}  ω=7,54⋅104 rad/sk=222 rad/mλ=2,83⋅10−2 m  \boxed{\;\omega = 7{,}54\cdot 10^{4}\ \text{rad/s}\qquad k = 222\ \text{rad/m}\qquad \lambda = 2{,}83\cdot 10^{-2}\ \text{m}\;}
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Estrategia

La onda armónica que avanza hacia +x+x se escribe y(x,t)=A sen(ωt−kx+φ0)y(x,t) = A\,\text{sen}(\omega t - kx + \varphi_0). Con la frecuencia se obtiene ω\omega; con la velocidad, la longitud de onda y el número de onda kk. La fase inicial sale de la condición y(0,0)=0y(0,0) = 0.
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Desarrollo

Amplitud en el SI:A=0,4 mm=4,0⋅10−4 mA = 0{,}4\ \text{mm} = 4{,}0\cdot 10^{-4}\ \text{m}Frecuencia angular:ω=2πf=2π⋅12 000=24 000 π rad/s=7,54⋅104 rad/s\omega = 2\pi f = 2\pi\cdot 12\,000 = 24\,000\,\pi\ \text{rad/s} = 7{,}54\cdot 10^{4}\ \text{rad/s}Longitud de onda y número de onda:λ=vf=34012 000=2,83⋅10−2 mk=2πλ=ωv=24 000 π340=70,6 π rad/m=222 rad/m\lambda = \frac{v}{f} = \frac{340}{12\,000} = 2{,}83\cdot 10^{-2}\ \text{m}\qquad\qquad k = \frac{2\pi}{\lambda} = \frac{\omega}{v} = \frac{24\,000\,\pi}{340} = 70{,}6\,\pi\ \text{rad/m} = 222\ \text{rad/m}Como se propaga en el sentido positivo de xx, los términos en tt y en xx llevan signos opuestos:y(x,t)=A sen(ωt−kx+φ0)y(x,t) = A\,\text{sen}(\omega t - kx + \varphi_0)Condición inicial: en x=0x = 0 y t=0t = 0 la elongación es nula.y(0,0)=A sen φ0=0⟹φ0=0  (o π)y(0,0) = A\,\text{sen}\,\varphi_0 = 0\quad\Longrightarrow\quad \varphi_0 = 0\ \ (\text{o}\ \pi)Tomamos φ0=0\varphi_0 = 0 (el enunciado no dice si en ese instante el origen sube o baja; con φ0=π\varphi_0 = \pi la onda sería la misma con el signo cambiado). La ecuación queda:y(x,t)=4,0⋅10−4 sen(24 000 π t−70,6 π x) my(x,t) = 4{,}0\cdot 10^{-4}\,\text{sen}\left(24\,000\,\pi\,t - 70{,}6\,\pi\,x\right)\ \text{m}con xx en metros y tt en segundos. Equivale a y=4,0⋅10−4 sen(7,54⋅104 t−222 x) my = 4{,}0\cdot 10^{-4}\,\text{sen}\left(7{,}54\cdot 10^{4}\,t - 222\,x\right)\ \text{m}.
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Consejo

El signo entre ωt\omega t y kxkx da el sentido: distintos, hacia +x+x; iguales, hacia −x-x.

La forma sen(kx−ωt)\text{sen}(kx - \omega t) también avanza hacia +x+x y cumple y(0,0)=0y(0,0) = 0, pero es la onda con el signo cambiado. Si el enunciado no dice si el origen sube o baja, las dos valen: elige una y sé coherente con ella.
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