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Transcripción

1 OSCILACIONES Y ONDAS 1- Todos sabemos que fuera del campo gravitatorio de la Tierra los objetos pierden su peso y flotan libremente. Por ello, la masa de los astronautas en el espacio se mide con un aparato (Body Mass Measurement Device) que se basa en el movimiento vibratorio armónico. Cuando el astronauta se coloca en él, el aparato inicia un movimiento vibratorio y mide el periodo de oscilación, a partir del cual calcula la masa del astronauta. Supongamos que el aparato dispone de un muelle de constante elástica k = 900 N/m. Cuando se coloca en el aparato un astronauta de masa m, medimos un periodo de oscilación T = 2 s. a) Calcule la masa m del astronauta. b) Calcule la amplitud máxima A para que la aceleración de la masa no supere a max =g 0 /4, donde g 0 = 9,81 m/s 2 es la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra. Calcule la velocidad máxima para dicha amplitud. c) En t=0 el astronauta se separa una distancia x 0 = A hacia la derecha y se suelta con velocidad nula. Escriba la ecuación de la posición del astronauta en función del tiempo en unidades S.I. Represéntela gráficamente para dos periodos de oscilación. Aragón 2014 Opción A - Junio 2- Un bloque de 50 g, está unido a un muelle de constante elástica 35 N/m y oscila en una superficie horizontal sin rozamiento con una amplitud de 4 cm. Cuando el bloque se encuentra a 1 cm a la derecha de su posición de equilibrio, calcule: a) La fuerza ejercida sobre el bloque. b) La aceleración del bloque. c) La energía potencial elástica, la energía cinética y la energía total del sistema. Aragón 2014 Opción A Septiembre 3- Por una cuerda tensa se propaga, en el sentido positivo del eje X, una onda sinusoidal transversal. Los puntos de la cuerda oscilan con una frecuencia f = 2 Hz. En la gráfica se representa la posición de los puntos de la cuerda en el instante t=0. a) Determine la amplitud de la onda, su longitud de onda y la velocidad de propagación de la onda. b) Calcule la máxima velocidad de oscilación transversal de los puntos de la cuerda. c) Escriba la función de onda correspondiente, en unidades S.I. Aragón 2014 Opción B - Septiembre 13

2 4- Una masa m unida a un muelle realiza un movimiento armónico simple. La figura representa su energía potencial en función de la elongación x. a) Represente la energía cinética y la energía total en función de x. b) Calcule la constante elástica del muelle. c) Si la masa es m =1 kg, calcule su velocidad máxima. En qué posición x se alcanza esta velocidad? Aragón 2013 Opción A - Junio 5- Por una cuerda tensa se propaga, en el sentido positivo del eje X, una onda sinusoidal transversal a una velocidad de 10 m/s. Los puntos de la cuerda oscilan con una frecuencia f = 2 Hz. En el instante t = 0 el punto de la cuerda en x = 0 pasa por la posición de equilibrio con una velocidad de oscilación transversal positiva de 1 m/s. a) Calcule la amplitud de la onda y su fase inicial. b) Calcule la máxima velocidad de oscilación transversal de los puntos de la cuerda. c) Escriba la función de onda correspondiente, en unidades S.I. Aragón 2013 Opción B - Junio 6- Una onda transversal se propaga de izquierda a derecha, según el eje OX, a lo largo de una cuerda horizontal tensa e indefinida, siendo su longitud de onda λ = 10 cm. La onda está generada por un oscilador que vibra, en la dirección del eje OY, con un movimiento armónico simple de frecuencia f = 100 Hz y amplitud A = 5 cm. EN el instante inicial t = 0, el punto x = 0 de la cuerda tiene elongación nula. a) Escriba una expresión matemática de la onda indicando el valor numérico de todos los parámetros (en unidades S.I.). Escriba la ecuación que describe el movimiento de un punto situado a 30 cm a la derecha del origen. b) Determine la velocidad de propagación de la onda y la velocidad máxima de oscilación de un punto cualquiera de la cuerda. c) Dibuje un esquema de la cuerda en una longitud de 20 cm, en el instante t = 0. Aragón 2013 Opción A Septiembre 14

3 7- Una partícula de masa m = 25 g, unida a un muelle de constante elástica k = 10 N/m, oscila armónicamente con una amplitud de 4 cm sobre una superficie horizontal sin rozamiento. a) Deduzca la expresión de la aceleración de la partícula en función del tiempo y represéntela gráficamente. Indique sobre dicha gráfica qué instantes de tiempo corresponden al paso de la partícula por las posiciones de equilibrio y de máxima elongación. (Tome el origen de tiempos cuando la partícula pasa con velocidad positiva por la posición de equilibrio, x = 0). b) Calcule las energías cinética y potencial elástica de la partícula cuando se encuentra en la posición x = 1 cm. Aragón 2012 Opción A - Septiembre 8- a) Explique, e ilustre con un ejemplo, el fenómeno de las ondas estacionarias. Escriba la ecuación de una onda estacionaria y explique el significado de cada uno de sus parámetros. b) Una cuerda tensa, fija por sus dos extremos y de longitud L = 65 cm, oscila transversalmente con una frecuencia f = 220 Hz, teniendo la onda estacionaria un único vientre. b1) Determine la longitud de onda y represente gráficamente la oscilación del primer y segundo armónico indicando nodos y vientres. b2) Calcule la velocidad de propagación de la onda en la cuerda. Aragón 2011 Opción A Junio 9- Una bolita de masa m = 0,5 kg, apoyada sobre una superficie horizontal sin rozamiento, está unida a una pared mediante un muelle de masa despreciable y constante recuperadora k = 50 N/m. Se desplaza m hacia la derecha 2 cm, y se suelta con velocidad nula de forma que la bolita comienza a oscilar armónicamente en torno a su posición de equilibrio, O. a) Determine la frecuencia ω y el periodo T de la oscilación. Escriba la ecuación del movimiento armónico de la bolita. b) Represente gráficamente la velocidad de m en función del tiempo. c) Calcule la energía mecánica de m. Aragón 2011 Opción B Junio 15

4 10- Una partícula de masa m = 4 g oscila armónicamente a lo largo del eje OX en la forma x(t)=acos(ωt) con una amplitud de 5 cm y un periodo de oscilación T = 0,2 s. Determine y represente gráficamente: a) La velocidad de la partícula en función del tiempo. b) Las energías cinética y potencial de la posición x. Calcule la energía mecánica de la partícula. Aragón 2011 Opción A - Septiembre 11- a) Establezca la diferencia entre ondas longitudinales y transversales. Cite un ejemplo de onda real para cada una de ellas. b) Por una cuerda tensa, situada a lo largo del eje OX, se propaga una onda descrita por la ecuación descrita por la ecuación y(x,t)=0,5sen[2π(25t+x+0,25)], donde todas las magnitudes están expresadas en unidades del Sistema Internacional. Justifique si es una onda transversal o longitudinal y determine la amplitud, la longitud de onda, la frecuencia, la fase inicial, la velocidad y el sentido de propagación de la onda. Aragón 2011 Opción B - Septiembre 12- Una onda transversal se propaga de izquierda a derecha, según el eje OX, a lo largo de una cuerda horizontal tensa e indefinida, siendo la distancia mínima entre dos puntos que oscilan en fase 10 cm. La onda está generada por un oscilador que vibra, en la dirección del eje OY, con un movimiento armónico simple de frecuencia f = 100 Hz y amplitud A=5cm. a) Escribe una expresión matemática de la onda indicando el valor numérico de todos los parámetros (en el instante inicial el punto x = 0, posición del oscilador, tiene elongación nula). b) Determina la velocidad de propagación de la onda y la velocidad máxima de oscilación de un punto cualquiera de la cuerda. Aragón 2010 Opción B - Junio 13- La ecuación de una onda armónica que se propaga según el eje OX, por una cuerda horizontal, viene dada por y(x,t)=0,05sen[π(10x+20t+0,25)], donde todas las magnitudes se expresan en el S.I. de unidades. a) Determina la amplitud, la longitud de onda, la fase inicial y la velocidad, dirección y sentido de propagación de la onda. Justifica si la onda es longitudinal o transversal. b) Calcula la elongación y la velocidad transversal de oscilación del punto situado en x=0,5 m en el instante t=0,25 s. Aragón 2010 Opción A Septiembre 16

5 14- La partícula de masa m = 10 g de la figura 1a describe el movimiento armónico simple en torno a su posición de equilibrio representado en la figura 1b (rozamiento despreciable). a) Escribe la expresión de la elongación, en función del tiempo, indicando el significado y valor numérico de cada parámetro. b) Representa la evolución temporal de la energía potencial elástica y la energía total de la partícula. Aragón 2009 Opción B - Junio 15- a) Escribe la expresión de la elongación, en función del tiempo, del oscilador armónico. A partir de ella deduce y representa la evolución temporal de la velocidad y la aceleración de dicho oscilador. b) Un cuerpo realiza un movimiento armónico simple. Escribe la ecuación de dicho movimiento, en unidades del S.I., en las siguientes condiciones: La aceleración máxima es 2π 2 cm/s 2 ; el periodo T = 4 s; y, al iniciarse el movimiento, la elongación era 4 cm y el cuerpo se alejaba de la posición de equilibrio. Aragón 2009 Opción B - Septiembre 16- Una onda armónica transversal de frecuencia f = 2 Hz, longitud de onda λ = 20 cm y amplitud A = 4 cm, se propaga por una cuerda en el sentido positivo del eje OX. En el instante de tiempo t = 0, la elongación en el punto x = 0 es cm. a) Expresa matemáticamente la onda y represéntela gráficamente en b) Calcula la velocidad de propagación de la onda y determina, en función del tiempo, la velocidad de oscilación transversal de la partícula situada en x = 5 cm. Aragón 2008 Opción A Junio 17

6 17- Una partícula de masa m = 32 g, unida a un muelle de constante elástica k = 20 N/m, oscila armónicamente sobre una superficie horizontal sin rozamiento con una amplitud de 3 cm. a) Determina, y representa gráficamente, la velocidad de la partícula en función del tiempo. b) Calcula la energía mecánica de la partícula. Qué fuerza se ejerce sobre la masa cuando se encuentra a 1 cm de su posición de equilibrio? Aragón 2008 Opción B - Junio 18- a) Un cuerpo de masa m, unido al extremo libre de un muelle, realiza un movimiento armónico simple horizontal (sin rozamiento). Escribe y justifica las expresiones de las energías cinética, potencial y mecánica asociadas al mismo. Representa gráficamente dichas energías frente a la elongación. b) Un cuerpo de masa m = 0,1 k, unido al extremo libre de un muelle horizontal de constante k = 10 Nm -1, realiza oscilaciones de amplitud A = 8 cm. Con qué velocidad se mueve la masa m cuando la elongación es 4,8 cm? Para que valor de la elongación coinciden la energía potencial y la cinética? Aragón 2008 Opción A - Septiembre 19- Una onda transversal armónica puede expresarse en la forma:. a) Explica el significado físico de cada una de las magnitudes que aparecen en esta expresión. b) Si A = 0,01 m, ω = 100π rad/s, δ = 0 y la velocidad de propagación de la onda es de 300 m/s, representa el perfil de la onda, y(x), en el instante t = 0,02 s. Aragón 2007 Opción A - Junio 20- Un cuerpo de masa M = 0,1 kg oscila armónicamente en torno al origen O de un eje OX. En la figura se representa la aceleración de M en función del tiempo. a) Determina la frecuencia y la amplitud de oscilación de M. b) Determina y representa gráficamente la energía cinética de M en función del tiempo. Aragón 2007 Opción B - Junio 18

7 21- Una partícula de masa m = 20 g. Oscila armónicamente en la forma x(t) = Asenωt. En la figura se representa la velocidad de la partícula en función del tiempo. a) Determina la frecuencia angular ω y la amplitud A de la oscilación. b) Calcula la energía cinética y la potencial de la masa m en función del tiempo. Justifica cuanto vale la suma de ambas energías. Aragón 2007 Opción A - Septiembre 22- Una partícula de masa m, que sólo puede moverse a lo largo del eje OX, se sitúa inicialmente (t=0) en la posición x = x 0 y se libera con velocidad nula. Sobre ella actúa una fuerza, dirigida según el eje OX, F = -kx, donde k es una constante positiva. a) Qué tipo de movimiento realiza la partícula? Describe analítica y gráficamente cómo dependen del tiempo su posición, x(t) y su velocidad, v(t). b) Para m = 0,1 kg, k = 30 N/m y x 0 = 5 cm, calcula las energías cinética y potencial de la partícula cuando pasa por x = 0. Aragón 2006 Opción A - Junio 23- La bolita de un péndulo simple realiza una oscilación aproximadamente horizontal y armónica, en presencia del campo gravitatorio terrestre, con un periodo T = 2 s y una amplitud A = 5 cm. a) Determina y representa gráficamente la velocidad de la bolita en función del tiempo, v(t). Toma origen de tiempo, t = 0, cuando la bolita pasa por el centro de su oscilación desplazándose en sentido positivo. b) Cuál sería el periodo de oscilación de este péndulo en la superficie de la Luna, donde la intensidad del campo gravitatorio es la sexta parte del terrestre? Aragón 2006 Opción B Septiembre 19