FísicaFácil2 pts

Ondas mecánicas: armónicas y estacionarias

Extremadura · 2022 · Julio
Enunciado
Una onda tiene una longitud de onda de 10 m, una amplitud de 18 m, y una frecuencia de 8 Hz. Determine:

a) la velocidad de propagación y

b) la ecuación de la onda.

(Calificación de cada apartado, 1 punto).
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Resultado
  v=80 m/s  \boxed{\;v = 80\ \text{m/s}\;}  y(x,t)=18 sen(16π t−π5 x) m  \boxed{\;y(x,t) = 18\,\text{sen}\left(16\pi\,t - \dfrac{\pi}{5}\,x\right)\ \text{m}\;}
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Estrategia

La velocidad de propagación es el espacio que avanza la onda (una longitud de onda) en un periodo: v=λfv = \lambda f. Para la ecuación necesitamos la frecuencia angular ω=2πf\omega = 2\pi f y el número de onda k=2π/λk = 2\pi/\lambda. El enunciado no dice el sentido de propagación ni el estado inicial, así que tomamos la onda que avanza hacia +x+x con fase inicial nula y lo decimos.
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Desarrollo

a) Velocidad de propagación:v=λ f=10⋅8=80 m/sv = \lambda\,f = 10\cdot 8 = 80\ \text{m/s}b) Magnitudes angulares:ω=2πf=2π⋅8=16π rad/s≈50,3 rad/sk=2πλ=2π10=π5 rad/m≈0,628 rad/m\omega = 2\pi f = 2\pi\cdot 8 = 16\pi\ \text{rad/s} \approx 50{,}3\ \text{rad/s}\qquad k = \frac{2\pi}{\lambda} = \frac{2\pi}{10} = \frac{\pi}{5}\ \text{rad/m} \approx 0{,}628\ \text{rad/m}El periodo es T=1/f=0,125 sT = 1/f = 0{,}125\ \text{s}. Suponiendo que la onda se propaga en el sentido positivo del eje xx y que en x=0x = 0, t=0t = 0 la elongación es nula (fase inicial φ0=0\varphi_0 = 0), la ecuación esy(x,t)=A sen(ωt−kx)=18 sen(16π t−π5 x)  (x, y en m; t en s)y(x,t) = A\,\text{sen}(\omega t - k x) = 18\,\text{sen}\left(16\pi\,t - \frac{\pi}{5}\,x\right)\ \ (x,\,y\ \text{en m};\ t\ \text{en s})Comprobación: v=ω/k=16π/(π/5)=80 m/sv = \omega/k = 16\pi/(\pi/5) = 80\ \text{m/s}, igual que en el apartado a).

Si se propagara hacia −x-x, bastaría cambiar el signo: y=18 sen(16πt+π5x)y = 18\,\text{sen}\left(16\pi t + \frac{\pi}{5}x\right). Otra fase inicial (o escribirla con coseno) también es válida si se indica.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
La amplitud de 18 m, mayor que la longitud de onda, es poco realista para una onda mecánica, pero es el dato del enunciado y no cambia el procedimiento.
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Consejo

Cuando el enunciado no da el sentido de propagación ni la fase inicial, elige los más sencillos (hacia +x+x, φ0=0\varphi_0 = 0) y dilo por escrito: así la ecuación es correcta y el corrector sabe qué has supuesto.

Comprueba siempre que ω/k\omega/k da la velocidad del apartado anterior.
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