lunes, 19 de diciembre de 2022

SOLUCIÓN EXAMEN EJERCICIOS DE ONDAS 2BACH CURSO 22-23

 

1.      Una sirena tiene una potencia de 500 wattios. Supongamos que las ondas sonoras se propagan en todas las direcciones por igual, y sin absorción.

a.      Calcula la intensidad del sonido a 100 metros de distancia.

b.     Cuál será la intensidad a 10.000 metros de distancia si no hubiera absorción?

c.      ¿Cuál es su sonoridad en decibelios a 100 metros? Dato: Intensidad física umbral I0=10-12 Watt/m2

 

Supuesto ondas esféricas, la potencia energética se reparte a lo ancho de una superficie esférica de área 4πR2, siendo R la distancia hasta el origen. (El radio de la esfera)

I=Pot/4 πR2=(500 watt)/(4 π1002 m2)=3’9·10-3 watt/m2

Para hacer el caso (b), podemos repetir lo hecho antes, pero ahora con 10.000 metros

I=Pot/4 πR2=(500 watt)/(4 π100002 m2)=3’9·10-7 watt/m2

Calculamos la sonoridad comparándola con el umbral por medio de un logaritmo:

S=10log(I/I0)=10·log(3’9·10-7 watt/m2/10-12 watt/m2)=55’9

 

2.      Una onda mecánica correspondiente a las ondulaciones de una cuerda viene descrita por la siguiente ecuación:

Ψ(x,t)= 23·sen(πx-πt/3)    (en mm)

 

a)     Calcula el valor de la amplitud, longitud de onda, frecuencia, período, fase inicial, k, w y velocidad de propagación de la onda, salvo la primera, todas en el sistema internacional.

b)     Dibuja sendas gráficas que muestren el valor de Ψ(x,t) en función del tiempo y de la posición a lo largo de dos ciclos completos.

c)     Para una partícula situada a 0,5 metro del origen, obtén la ecuación de su movimiento y con ella calcula su posición en t= 5 segundos.

 

Comparamos la ecuación que nos dan con la genérica de una onda armónica, y obtendremos directamente amplitud, k, y w:

Ψ(x,t)= 23·sen(πx-πt/3)    (en mm)

Ψ(x,t)= A·sen(Kx-wt+ϕ0)    (en mm)

Se deduce fácilmente que A=23 mm, que k=π m-1, y que w=π/3 s-1. Y por supuesto fase inicial cero radianes.

Recordad que el argumento de la función seno está unidades del sistema internacional.

Ahora podemos deducir la longitud de onda, la frecuencia y el período:

λ=2π/K=2 m      T=2π/w= 6 s      Frecuencia = 1/T=1/6 Hz

Y la velocidad de la onda c= λ/T=0’33 m/s




Para el último apartado, primero calculamos lo que tarda en llegar la onda hasta el punto en cuestión, porque hasta entonces ese punto permanecerá en reposo. La onda se propaga en un movimiento rectilíneo uniforme.

Tiempo de llegada a (x=0’5m) = espacio/velocidad=0’5 m/0’33 m/s= 1’51 segundos, por tanto en ese instante sabemos que la partícula situada allí, no ha comenzado a moverse. El movimiento de esa partícula será un movimiento armónico simple de frecuencia igual a la de la onda, y si asumimos que es una cuerda o la superficie del agua, su amplitud será la de la onda.

Ecuación general   y(t)=A·sen(wt+ ϕ0)

En este caso, sólo nos falta saber la fase inicial del movimiento de la partícula: y(t)=23·sen(πt/3+ ϕ0)

Pero conocemos que en t=0, y=0 mm porque no ha comenzado a moverse. Así pues, ….

0=23·sen(ϕ0) à sen(ϕ0)=0 à la fase inicial será 0 o un múltiplo de pi, me quedo con cero que es lo más simple.

La ecuación de la partícula es y(t)=23·sen(πt/3) en mm, calculamos para t=5 s:

y(t)=23·sen(π5/3)=-19’9 mm (La calculadora en modo radianes, recuerdo)

 

3.       Una onda se desplaza por una cuerda siguiendo la siguiente ecuación:

Ψ(x,t)= 3·sen(πx-πt/2)    (en mm)

Como la cuerda tiene una longitud de 2 metros y tiene los extremos fijos se produce una onda estacionaria por superposición de las ondas incidentes y reflejada.

a.      ¿Cuál es la ecuación de la onda estacionaria producida?

b.      ¿Qué distancia hay entre los nodos de la onda?

c.      ¿Qué armónico o fundamental se produce? Dibújalo.

 

Una onda estacionaria responde al tipo y(x,t)=2·A·sen(kx)·cos(wt), y está originada por dos ondas iguales, que se superponen en una región del espacio, pero que tienen allí sentidos opuestos: Ψ(x,t)= A·sen(Kx-wt)     y Ψ’(x,t)= A·sen(Kx+wt)   , prescindimos de la fase inicial para generar claridad en la explicación. Comparando la ecuación que nos dan: Ψ(x,t)= 3·sen(πx-πt/2)    (en mm), y lo anteriormente dicho, podemos deducir fácilmente la ecuación de la onda estacionaria:

Y(x,t)=6·sen(πx)cos(πt/2).

 

Para la segunda parte, debemos saber que siempre la longitud entre dos nodos es media longitud de onda. Procedemos como en el ejercicio (2) de este examen, y encontramos que k=π m-1, y que entonces λ=2m. La distancia entre nodos será de 1 metros.

Como la cuerda tiene 2 metros, y a cada metro hay un nodo, contando con el inicial y el final, debe de haber otro nodo en el punto medio, por tanto, se producirá el primer armónico por encima del fundamental:

 






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