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Ondas mecánicas: armónicas y estacionarias

Castilla y León · 2023 · Julio
Enunciado
La intensidad del sonido procedente de una fuente puntual disminuye como la inversa del cuadrado de la distancia a la fuente. ¿Indica esto que el sonido pierde energía cuando viaja a grandes distancias? Razone su respuesta.
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Resultado
No: la ley I=P/(4πr2)I = P/(4\pi r^2) refleja que la misma energía se reparte sobre esferas cada vez mayores (atenuación); la energía solo se pierde si el medio la absorbe.
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

La intensidad es la potencia que atraviesa la unidad de superficie perpendicular a la propagación. Con una fuente puntual los frentes de onda son esferas cada vez mayores: la misma potencia se reparte sobre más superficie. Eso explica la ley 1/r21/r^2 sin que se pierda energía; la pérdida real, por absorción del medio, es otro fenómeno.
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Desarrollo

No. La disminución con 1/r21/r^2 no se debe a una pérdida de energía, sino a que la energía se reparte.

La intensidad de una onda es la energía que atraviesa, por unidad de tiempo, la unidad de superficie perpendicular a la dirección de propagación:I=PS(W/m2)I = \frac{P}{S}\qquad (\text{W/m}^2)Una fuente puntual de potencia PP emite en todas direcciones y sus frentes de onda son esferas de área 4πr24\pi r^2:I=P4πr2I = \frac{P}{4\pi r^2}Si el medio no absorbe energía, la potencia que atraviesa cualquier esfera centrada en la fuente es la misma, P=I1⋅4πr12=I2⋅4πr22P = I_1\cdot 4\pi r_1^2 = I_2\cdot 4\pi r_2^2, de donde:I1I2=r22r12\frac{I_1}{I_2} = \frac{r_2^2}{r_1^2}La energía total se conserva: lo que ocurre es que se reparte sobre una superficie cada vez mayor, y cada metro cuadrado recibe menos. Este fenómeno se llama atenuación, y es puramente geométrico.

Otra cosa es la absorción: en un medio real parte de la energía de la onda se transforma en energía interna del medio (calor) por rozamiento, y la intensidad disminuye más deprisa que 1/r21/r^2 (exponencialmente con la distancia). Eso sí es pérdida de energía de la onda, pero no es lo que expresa la ley del inverso del cuadrado.
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Consejo

Distingue atenuación (reparto geométrico, ley 1/r21/r^2, se conserva la energía) de absorción (el medio se queda con energía). Escribir P=I⋅4πr2=P = I\cdot 4\pi r^2 = constante lo deja claro.
Paso 1 de 3
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