sistema concreto de constante elástica K), solo depende de la amplitud. Por otro lado, la frecuencia del MAS viene dada por: T = 2 π = que como vemos

Transcripción

1 MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE E3A.S00 a) Explique qué es un movimiento armónico simple y cuáles son sus características dinámicas. b) Razone cómo cambiarían la amplitud y la frecuencia de un movimiento armónico simple si: i) aumentara la energía mecánica, ii) disminuyera la masa oscilante. a) Teoría La energía mecánica viene dada por E Ec Ep Epmáx = K A sistema concreto de constante elástica K), solo depende de la amplitud. = + = por tanto,( para un m Por otro lado, la frecuencia del MAS viene dada por: T = π = que como vemos K ν solamente depende de la masa oscilante y de la constante elástica. Quiere decir que para un sistema concreto formado por un resorte y una masa fija, la frecuencia de oscilación es una característica del sistema. b) Al aumentar la energía mecánica aumentará la amplitud, pero permanecerá inalterada la frecuencia de oscilación que es una característica del sistema. b) Al disminuir la masa oscilante aumentará la frecuencia, pero permanecerá constante la amplitud, ya que no depende de la masa. EA.S00 Un cuerpo, situado sobre una superficie horizontal lisa y unido al extremo de un resorte, efectúa un movimiento armónico simple y los valores máximos de su velocidad y aceleración son 0,6 m s - y 7, m s- respectivamente. a) Determine el período y la amplitud del movimiento. b) Razone cómo variaría la energía mecánica del cuerpo si se duplicara: i) la frecuencia; ii) la aceleración máxima. a) La ecuación general de un cuerpo que ejecuta un MAS es: x = Asen( ω t +ϕo ). Derivándola respecto al tiempo obtenemos la velocidad y a su vez, derivando ésta obtenemos la aceleración, así que: dx v = = Aω cos( ωt + ϕo ) dt dv a = = Aω sen( ωt + ϕ0 ) dt como vemos, los valores de la velocidad máxima y de la aceleración máxima son: v Aω 0,6 = Aω a máx = máx = Aω 7, ω = A de donde A = 0,05m y ω= rad/s

2 Teniendo en cuenta que ω=π/t se deduce que T=π/6 seg y que la frecuencia es ν=6/π Hz ba) La respuesta estricta a esta pregunta sería que un sistema concreto vibra con una frecuencia característica y por tanto no es posible cambiarla, ya que la frecuencia solamente depende de la constante del muelle (que es una característica del muelle) y de la masa que oscila. Sabemos que el periodo (y la frecuencia que es la inversa) viene dado por T m = π = K ν bb. Suponiendo dos muelles distintos, vamos a ver qué relación existe entre la energía de dos sistemas cuando vibren con frecuencias ν y ν. Teniendo en cuenta que el resorte es un sistema conservativo, y que por tanto la suma de la energía cinética y potencial permanece constante, resulta que la energía mecánica será igual a la potencial máxima o bien a la cinética máxima: E = Ec + Ep = Ep máx = K A E = Ec + Ep = Ecmáx = mv máx = m ( Aω) = m ( Aπν ) = π m A ν naturalmente ambas expresiones son equivalentes, (observa que si en la expresión del periodo/frecuencia despejas el valor de K y lo sustituyes en la primera obtendrías la segunda) En la primera forma se ve claramente que la energía de un sistema concreto es solo función de su amplitud (del cuadrado de la amplitud), siendo independiente de la frecuencia tal como habíamos quedado en b. En la segunda expresión vemos, que en el caso poder alterar la frecuencia del sistema, la energía mecánica E es proporcional al cuadrado de la frecuencia E=f(ν ) por tanto, si se duplica la frecuencia (cambiando de resorte), la energía mecánica se hará 4 veces mayor. Podríamos contestar a otra pregunta: Qué relación guardan las constantes elásticas de dos resortes para que uno oscile con una frecuencia doble que el otro. Despejando K tenemos: 4π mν K = K = 4π mν = 4π m (ν ) div. miembro a miembro K = 4K b). Teniendo en cuenta que la amáx = Aω (y puesto que para un sistema concreto la frecuencia con que oscila es una constante característica del mismo y por tanto también lo será la frecuencia angular ω = πν ), es evidente que para duplicar la aceleración máxima debemos de duplicar la amplitud. Y como: E = Ec + Ep = Ep = KA máx Así que si la amplitud A se hace el doble, la energía mecánica se hará 4 veces mayor.

3 E4A.S00 Un bloque de 0, kg, situado sobre una superficie horizontal lisa y unido al extremo de un resorte, oscila con una amplitud de 0,0 m. a) Si la energía mecánica del bloque es de 6 J, determine razonadamente la constante elástica del resorte y el periodo de las oscilaciones. b) Calcule los valores de la energía cinética y de la energía potencial cuando el bloque se encuentra a 0,0 m de la posición de equilibrio. a) Puesto que la fuerza recuperadora es conservativa y como consecuencia se conserva la energía mecánica, y cuando la Ec=0 la energía mecánica será igual a la potencial máxima, podemos poner que: E = = Ec + Ep = Epmáx KA 6 = K 0, K = 300 N/m Teniendo en cuenta ahora que la fuerza recuperadora del resorte, responsable del MAS, obedece la ley de Hooke, y que la condición para que tenga lugar un MAS es que la aceleración se oponga a la deformación de la forma a = ω x. igualando y despejando T F = K x = ma = m ( ω π x ) = m T x T = π m K = π 0, = 0,04π seg 300 b) Cuando el bloque está en la posición x=0,m, su energía potencial será: Y teniendo en cuenta que: Ep Kx = x= o, = 300 0, =,5 J E = Ec + Ep Ec = E Ep = 6,5 = 4,5 J Otra forma sería calculando directamente la energía cinética, para ello debemos obtener la velocidad en función de la posición de la forma: v = A ω cos ϕ = A ω ( sen ϕ ) = ω ( A A sen ϕ ) = ω ( A x ) Ec π = x ) x o 0, (0, 0, =, = mv = m ω ( A 0,04π ) = 4,5 J

4 E5A.S00 Un bloque de 8 kg desliza por una superficie horizontal sin rozamiento con una velocidad de 0 m s - e incide sobre el extremo libre de un resorte, de masa despreciable y constante elástica k = 400 N m -, colocado horizontalmente. a) Analice las transformaciones de energía que tienen lugar desde un instante anterior al contacto del bloque con el resorte hasta que éste, tras comprimirse, recupera la longitud inicial. b) Calcule la compresión máxima del resorte. Qué efecto tendría la existencia de rozamiento entre el bloque y la superficie? a) Si no hay rozamiento se conservará la energía a lo largo de todo el proceso, puesto que la fuerza elástica es conservativa. Como el bloque se mueve sobre una mesa horizontal podemos tomar nivel cero de Ep gravitatoria en la superficie de la mesa, de esta forma la energía mecánica inicialmente es igual a la cinética. en el punto A, como hemos dicho, E = Ec + Ep grav = Ecmáx = 8 0 = 400 J en el punto B, como aun el muelle no se ha deformado toda la energía sigue siendo cinética en el punto C, aplicando la conservación de la energía tenemos E = Ec + Ep grav + Ep La energía mecánica permanece constante, e igual a 400J, pero la energía cinética irá disminuyendo a la vez que va aumentando la potencial elástica. en el punto D el bloque se detiene, haciéndose cero su Ec, y ahora toda la energía se habrá acumulado en el resorte en forma de energía potencial elástica. elástica E = Ec + Ep grav + Ep elástica = K A La fuerza recuperadora del resorte, como se opone a la deformación (F= Kx) hará que el resorte vuelva a la posición inicial y de esta forma la elongación del muelle irá disminuyendo y con ello la energía potencial elástica (Ep elástica = ½Kx ), hasta llegar a la posición inicial (x=0) donde de nuevo toda la energía será cinética. Por la inercia, el bloque rebasará la posición de equilibrio y empezará a deformarse hasta llegar a la posición x= A, donde nuevamente la energía cinética será nula habiéndose convertido en potencial elástica b) Como hemos razonado, y puesto que se conserva la energía, si hacemos un balance entre el punto A y el punto D de la figura, tenemos que:

5 m v = K A 8 0 = 400 A A = m Si hubiera rozamiento ya no se conservaría la energía mecánica. El bloque en cada vaivén iría perdiendo energía por el rozamiento W Rozam = mg µ s por tanto ejecutaría un movimiento oscilatorio cada vez con menor amplitud hasta pararse. En este caso, la compresión máxima sería: m v mg µ A = K A EB.S009 a) Escriba la ecuación de un movimiento armónico simple y explique el significado de cada una de las variables que aparecen en ella. b) Cómo cambiarían las variables de dicha ecuación si se duplicaran el periodo de movimiento y la energía mecánica de la partícula? a) Teoría b) La ecuación de una partícula que ejecuta un MAS es x = Asen( ω t +ϕo ) En primer lugar, si se duplica el periodo de las oscilaciones variará la pulsación o frecuencia angular haciéndose la mitad ya que es inversamente proporcional al periodo: π π ω ω = = = T' T Por otro lado, si la energía mecánica se hace el doble variará la amplitud, puesto que depende del cuadrado: E= ½KA Lo que ocurre es que si la energía se hace el doble la amplitud no aumenta en A = 4A como parece a bote pronto, ya que si también hemos duplicado el periodo hemos necesitado cambiar la constante elástica (el periodo depende de la masa y de la constante: K=mω ). Así pues: E = mω A E = mω A Div.miembro a miembro E E ω A = ω A ω A = ω A = A = 8 A E4B.S009 Un cuerpo de Kg se encuentra sobre una mesa plana y horizontal sujeto a un muelle, de constante elástica k=5 N.m -. Se desplaza el cuerpo cm de la posición de equilibrio y se libera.

6 a) Explique cómo varían las energías cinética y potencial del cuerpo e indique a qué distancia de su posición de equilibrio ambas energías tienen igual valor. b) Calcule la velocidad máxima que adquiere el cuerpo. Supongamos un resorte como el de la figura, que sigue la ley de Hooke. Para deformarlo hemos r r de aplicar una fuerza F nosotros = kx i. De acuerdo con la definición de energía potencial, el trabajo que realizamos para deformarlo queda almacenado en forma de energía potencial: W A B,nos B B B = r r r r Fnos dr = kx i dx i = kx dx = A A A kx B A = k ( x x ) = Ep B A Si en el punto A el muelle estaba en la posición de equilibrio, es decir x A =0 Teniendo en cuenta que x B es la amplitud, por que es el máximo desplazamiento de la posición de equilibrio, nos queda que en el punto B todo el trabajo que hemos realizado está guardado en forma de energía potencial: W A B,nos = Ep = EpB EpA = kxb = ka r r Ahora soltamos el muelle y quien trabaja es la fuerza recuperadora ( F resorte = kx i ) que al ser una fuerza conservativa hace que se cumpla el principio de conservación de la energía mecánica, por tanto: E = Ec + Ep = cte. Naturalmente, a medida que la masa vuelve a la posición de equilibrio disminuye el valor de x y por tanto su energía potencial que se va transformando en cinética. Al pasar por la posición de equilibrio la energía potencial es nula y toda la energía se habrá transformado en cinética. Por la inercia rebasa la posición de equilibrio y su velocidad irá disminuyendo hasta hacerse cero y la energía potencial máxima.

7 El punto donde ambas energías tienen el mismo valor es aquel en el que la energía potencial máxima vale la mitad, porque la otra mitad será cinética, por tanto: Ec + Ep = cte = Ep Si Ec = Ep max Ep ka Ep = max = = kx de donde A 0,0m x = = = 0,04m Al mismo resultado llegaríamos igualando la energía potencial a la energía cinética: Ep = kx Ec = mv = m ω ( A x ) = k( A x A 0,0m igualando kx = k( A x ) x = = = 0,04 m b) La velocidad máxima es la que adquiere cuando pasa por la posición de equilibrio, donde la Ep se hace cero convirtiéndose en cinética. Aplicando la conservación de la energía mecánica, tenemos que: Ec + Ep = cte = Ep max = Ec ka = mv máx v máx = = = 0,055m / s max ka m ) 5 0,0 E5B.S009 Un bloque de Kg apoyado sobre una mesa horizontal y unido a un resorte, realiza un movimiento armónico simple de 0,m de amplitud. En el instante inicial su energía cinética es máxima y su valor es 0,5J.

8 a) Calcule la constante elástica del resorte y el periodo del movimiento. b) Escriba la ecuación del movimiento del bloque, razonando cómo obtiene el valor de cada una de las variables que intervienen en ella. a) La energía cinética de un resorte viene dada por: Ec = m v A partir de esa expresión, si tenemos en cuenta que v = ± ω A x, podríamos escribir la Ec como: Ec = mv = mω ( A x ) Como puede verse en ambas formas de expresar a la Ec, en el caso de que el punto se encuentre en el origen, donde x=0 y la velocidad es máxima: de donde: Ec max m A = = ω ka Teniendo en cuenta que k = m 0,5 = k 0, k = 00 N / m π m π ω = m T = π = π = = 0, 68seg b) La ecuación del MAS correspondiente al resorte es: T k 00 x = Asen( ω t + ϕ ) = 0, sen(0t + 0) o 0 E3B.S008 a) Describa el movimiento armónico simple y comente sus características cinemáticas y dinámicas. b) Una masa oscila verticalmente suspendida de un muelle. Describa los tipos de energía que intervienen y sus respectivas transformaciones. Teoría

9 E6A.S008 Un bloque de 0,5 kg se encuentra sobre una superficie horizontal sin rozamiento, sujeto al extremo de un resorte de constante elástica k = 00 N m -. Se tira del bloque hasta alargar el resorte 0 cm y se suelta. a) Escriba la ecuación de movimiento del bloque y calcule su energía mecánica. b) Explique cualitativamente las transformaciones energéticas durante el movimiento del bloque si existiera rozamiento con la superficie. a) Una vez que soltemos el resorte ejecutará un MAS de ecuación x = Asem( ωt + ϕo ) Conocemos la amplitud, pero para escribir la ecuación necesitamos calcular el valor de la frecuencia angular (ω) y la fase inicial (φ o ). Teniendo en cuenta ahora que la fuerza recuperadora del resorte, responsable del MAS, obedece la ley de Hooke, y que la condición para que tenga lugar un MAS es que la aceleración se oponga a la deformación de la forma a = ω x. F = K x = ma = m ( ω x ) de donde ω = K = 00 = 0 rad / seg m 0,5 Así que la ecuación del MAS será x = 0,sem( 0t + ϕo ). Para calcular la fase inicial no hay más que tener en cuenta que inicialmente, es decir para t=0, el resorte está en la posición x= 0,m, ya que lo hemos estirado (suponemos hacia la izquierda), por tanto: para t=0, = 0,sem( ϕ ) φ o = arcsen( ) =,57 rad = π/ rad 0 o π la ecuación completa del MAS será: = 0,sem( 0t ) (x en m, t en seg) x La energía mecánica, es la suma de la cinética y de la potencial elástica, e igual a la máxima de cualquiera de ellas, por ejemplo: b) igual a E5A.S00 E = Ec + Ep = Epmáx = KA = 00 0, = J

10 E6A.S007 Un cuerpo realiza un movimiento vibratorio armónico simple. a) Escriba la ecuación de movimiento si la aceleración máxima es 5π cm.s -, el periodo de las oscilaciones s y la elongación del cuerpo al iniciarse el movimiento,5 cm. b) Represente gráficamente la elongación y la velocidad en función del tiempo y comente la gráfica. a) Teniendo en cuenta que la aceleración se obtiene derivando dos veces la elongación, legaremos a que a = Aω sen( ωt + ϕ0 ) La aceleración máxima es amáx = Aω. Conociendo la aceleración máxima y el periodo podemos poner: amáx = Aω 5π = Aω ω = π / T ω = π / de donde ω= π rad/s y A = 5 cm La ecuación del MAS es x = Asem( ωt + ϕ ) = 5 sen( πt + ϕ ). Como para t=0, x=,5 cm para t=0,5 = 5 sen( ϕ ) φ o = arcsen(0,5) = 0,5 rad = π/6 rad o π la ecuación completa del MAS será: = 5 sen( πt + ) (x en cm, t en seg) o x 6 dx π b) La velocidad se obtiene derivando la elongación: v = = 5π cos( πt + 6 ) dt Normalmente, daremos valores al tiempo de cuarto en cuarto de periodo. En este caso al ser T=seg. los valores de t serían: 0, 0 5,, 5,,.. No obstante en este caso al haber un desfase inicial de π/6 los valores de la elongación en estos momentos no alcanzarán los valores máximos. t(seg) 0 0,5,5,5 3 π = 5 sen( πt + ),5 4,35 -,5-4,35,5 4,35 -,5 π = 5π cos( πt + ) 3,7 -,57-3,7,57 3,7 -,57-3,7 x 6 v 6 o Las gráficas de la elongación y de la velocidad están desfasadas un cuarto de periodo, al igual que la aceleración está desfasada otro cuarto. Por tanto cuando la elongación toma los valores máximos, la velocidad toma los valores nulos.

11 ONDAS EB.S00 En una cuerda tensa se genera una onda viajera de 0 cm de amplitud mediante un oscilador de 0 Hz. La onda se propaga a m s -. a) Escriba la ecuación de la onda suponiendo que se propaga de derecha a izquierda y que en el instante inicial la elongación del foco es nula. b) Determine la velocidad de una partícula de la cuerda situada a m del foco emisor en el instante 3 s. a) Como la frecuencia de la onda es la misma que la del oscilador y conocemos su velocidad podemos calcular su longitud de onda: v v = λ ν λ = = = 0,m ν 0 el resto de los parámetros de la onda son también muy fáciles de obtener: y max = 0, metros T = = = 0,05 seg ν 0 La ecuación de una onda armónica que se propaga hacia la izquierda es: y x t senπ + + ϕ λ T = ymax o Efectivamente esa es la ecuación de una onda que se propaga hacia la izquierda, puesto que a medida que aumenta t disminuye x (porque va hacia la izquierda) y para que la fase se mantenga constante el término (x+vt) debe estar sumando. Sustituyendo: y x t 0,senπ + + ϕ 0, 0,05 = o Solamente nos queda calcular la fase inicial ϕ o, para eso de los datos se deduce que en el momento t=0 el foco, x=0 tienen elongación nula, y=0. Por tanto: = 0,senπ + + ϕo sen o 0 0, 0,05 πϕ = ϕ = 0 rad o b) La velocidad de las partículas de la cuerda en función del tiempo (ya sabemos que las ondas son doblemente periódicas) se obtiene derivando la ecuación de la elongación respecto al tiempo:

12 v = dy dt π x t x t = 0, cos π + = 4π cos π + 0,05 0, 0,05 0, 0,05 y un punto situado a una distancia x= m en el momento t=3 seg, tendrá una velocidad v 0, 3 0,05 = 4π cos π + = 4π x=, t= 3 m / s Que resulta ser igual a la velocidad máxima. (es posible que tu calculadora no sea capaz de resolver ese coseno, pero debes darte cuenta que se trata de cos π 70 así que como se trata de un número entero de veces π pues su coseno vale ) EB.S00 La ecuación de una onda armónica es: y(x,t) = A sen (bt cx) a) Indique las características de dicha onda y lo que representa cada uno de los parámetros A, b y c. b) Cómo cambiarían las características de la onda si el signo negativo fuera positivo? Teoría E3B.S00 La ecuación de una onda es: π y( x,t ) = 0sen x sen( 00πt ) (S.I.) a) Explique de qué tipo de onda se trata y describa sus características. b) Determine la amplitud y la velocidad de propagación de las ondas cuya superposición daría lugar a dicha onda. Qué distancia hay entre tres nodos consecutivos? a) Se trata de una onda estacionaria, puesto que solo depende del tiempo, y la amplitud de cada uno de los puntos no es constante (0senπx/λ), sino que depende de la posición de los puntos, habiendo unos para los que el argumento del seno es nulo y no vibran nunca (nodos) y otros para los que el argumento es y vibran con una amplitud máxima igual a 0 m. Comparando esa ecuación con la ecuación general de una onda estacionaria tenemos que: x t x y = 0sen π sen π Amplitud de la OE A = 0sen π 4 0,0 4 Amplitud ondas de la generan y m = 5 m x t y = ymsenπ cos π λ = 4 m; T = 0,0 seg λ T Fíjate que aunque en la onda problema la función del tiempo es de tipo seno, es equivalente a la ecuación con la que la hemos comparado que es de tipo coseno, ya que sen(α)= cos(α π/) de

13 manera que aunque más bien habría que haberla comparado con la siguiente, en cualquier caso obtendríamos los mismos resultados, puesto que ello supone la misma función armónica, solo que π π desfasada π/, ya que: sen α = cos( α) = cos( α ) x t π y = ym senπ cos π λ T b) La velocidad de propagación de la ondas que al interferir generan la OE es: 4m v = λ = = 00m / s T 0,0s Los nodos son los puntos que no vibran porque la elongación siempre es nula, por tanto serán aquellos puntos para los que sen(πx/) = 0. Los ángulos que hacen que un seno sea nulo son aquellos en los que el argumento sea 0; π; π; 3 π; Es decir, aquellos para los que x = 0; ; 4; 6; o en general se cumpla que x sea un número impar de media longitud de onda. De acuerdo con esto al distancia entre tres nodos consecutivos sería 4 cm, (una longitud de onda) como se aprecia en la figura: Las ondas armónicas que por superposición dan lugar a esta OE son las siguientes: πx πt π y = 5sen( + ) Avanza hacia la izquierda. 4 0,0 πx πt π y = 5sen( + ) Avanza hacia la derecha. 4 0,0 A + B A B Efectivamente, si sumamos, teniendo en cuenta que sena + senb = sen cos obtendremos la ecuación de arriba. E4B.S00 a) Explique qué son ondas longitudinales y transversales. b) Qué diferencias señalaría entre las características de las ondas luminosas y sonoras? Teoría

14 E6A.S00 a) Escriba la ecuación de una onda estacionaria en una cuerda con sus dos extremos fijos, y explique el significado físico de cada una de los parámetros que aparecen en ella. b) Explique qué puntos de la cuerda del apartado anterior permanecen en reposo. Qué puntos oscilan con amplitud máxima? Teoría EA.S009 La ecuación de una onda que se propaga por una cuerda tensa es: y(x,t) = 0,03 sen (t-3x) (S.I.) a) Explique de qué tipo de onda se trata, en qué sentido se propaga y calcule el valor de la elongación en x=0,m para t=0,s. b) Determine la velocidad máxima de las partículas de la cuerda y la velocidad de propagación de la onda. a) Se trata de una onda armónica porque las dos variables de las que depende, el tiempo y la posición, son argumento de una función seno. La onda se propaga hacia la derecha porque para que se mantenga el argumento de la función seno constante, como puede verse, al aumentar el valor de t debe aumentar el valor de x con valores positivos, es decir hacia la derecha. El valor de la elongación del punto que dista del foco x=0,m en el momento t=0,s es: y = 0,03 sen( t 3x ) = 0,03 sen( 0, 3 0,) = 0,003m b) Escribiendo la ecuación de la onda como la ecuación general y comparando tenemos: y max = 0,03m T = π seg λ = 0,66 π m y = ymax senπ t T x λ t x y = 0,03 senπ π 0,66 π La velocidad de propagación de la onda: λ 0,66π v = = = 0,66 m / s T π

15 La velocidad con que vibran los puntos de la cuerda se obtiene derivando la ecuación de la elongación respecto al tiempo, así que: v = dy dt = 0,03 cos(t 3x) y la velocidad máxima con que vibran los puntos, como puede verse, corresponderá a 0,06 m/s E3A.S009 a) Razone qué características deben tener las ondas, que se propagan por una cuerda tensa con sus extremos fijos, para que su superposición origine una onda estacionaria. b) Explique qué valores de la longitud de onda pueden darse si la longitud de la cuerda es L a) Teoría b) Una onda estacionaria se forma por la superposición de dos ondas iguales que se propagan en sentido inverso, pero además en el caso de la cuerda sujeta por sus extremos es necesario que la longitud de la cuerda sea múltiplo de λ/ puesto que sus extremos necesariamente son nodos. λ L = n Eso se pone de manifiesto muy fácilmente con una goma sujeta por uno de sus extremos a un cronovibrador y de la que tiramos desde el otro extremo. La onda que genera el cronovibrador al llegar a nuestra mano se refleja teniendo entonces dos ondas que se propagan en sentidos contrarios. Si vamos tirando lentamente llega un momento en que la longitud de la goma es múltiplo de λ/ y en ese momento veremos como en la cuerda se produce una onda estacionaria, bueno realmente lo que vemos es la envolvente por lo rápido que vibra. A la primera onda, tal que L=λ/ se le llama armónico fundamental y a los siguientes armónico segundo (L=λ), armónico tercero (L=3λ/), etc. E3B.S009 Una onda armónica se propaga de derecha a izquierda por una cuerda con una velocidad de 8 m/s. Su periodo es de 0,5 s y su amplitud es de 0,3 m. a) Escriba la ecuación de la onda, razonando cómo obtiene el valor de cada una de las variables que intervienen en ella. b) Calcule la velocidad de una partícula de la cuerda situada en x=m, en el instante t=s a) Si la onda armónica se propaga hacia la izquierda y para que se mantenga el argumento de la función seno constante, al aumentar el valor de t debe disminuir el valor de x, por tanto: y = y max x senπ + λ t T

16 La amplitud es la máxima desviación de la posición de equilibrio que experimentan los puntos del medo cuando vibran, que como sabemos ejecutan un MAS, y por tanto y max = 0,3m El periodo, que coincide con el periodo del MAS, es el tiempo que tarda la onda en recorrer una longitud de onda, es decir el tiempo que tarda en pasar una longitud de onda por delante de un observador estacionario, por tanto la velocidad, longitud de onda y periodo están relacionados: λ v = λ = v T = 8 0,5 = 4m T Supondremos que la fase inicial es cero, al no saber donde está el foco en el momento t=0. Las dos variables de las que depende una onda son: x es la distancia al foco de los puntos del medio y t es el valor del tiempo La ecuación de la onda que se propaga hacia la izquierda es: x t y = 0,3senπ + (S.I.) 4 0,5 b) La velocidad con que vibran los puntos de la cuerda, que ejecutan un MAS es: v = dy dt π x t x t = 0,3 cos π + = 3,77cos π + 0,5 4 0,5 4 0,5 y particularizando para un punto de la cuerda que diste x=m del foco en el instante t=s, tenemos: π v = 0,3 cos π + = 3,77m / s 0,5 4 0,5 La velocidad del punto x=m en el instante t=s, coincide con máximo negativo que puede tener. Si la fase inicial es cero entonces en el momento t=0 el foco está en la posición de equilibrio, es decir y=0. Al cabo de t=s también tendrá una elongación y=0 y el mismo valor para todas las variables cinemáticas, después de haber ejecutado dos movimientos completos, puesto que seg es el doble del periodo, que vale 0,5s. Si la elongación del foco (x=0) en el momento t= vale y=0, su velocidad será máxima y lo mismo para todos aquellos puntos que en ese momento disten un múltiplo entero de la longitud de onda (4, 8,..). Por el contrario todos los puntos que disten media longitud de onda del foco (, 6, 0,...) la velocidad será mínima.

17 Por tanto era de esperar que un punto situado a x=m del foco en el el momento t=s posea una velocidad mínima (o máxima negativa), tal como se ha obtenido matemáticamente. E4B.S009 a) Explique qué magnitudes describen las periodicidades espacial y temporal de una onda e indique si están relacionadas entre sí. b) Razona qué tipo de movimiento efectúan los puntos de una cuerda por la que se propaga una onda armónica. a) Teoría b) Teoría E6B.S009 Por una cuerda tensa se propaga la onda: y(x,t) = cos(0,5x)sen(50t) (S.I.) a) Indique las características de la onda y calcule la distancia entre el º y el 5º nodo b) Explique las características delas ondas cuya superposición daría lugar a esa onda, escriba sus ecuaciones y calcule su velocidad de propagación. a) Comparando la ecuación de la onda con la ecuación general de una onda estacionaria: y max 4 0 = metros y = 8 0 cos0,5x sen50 t x t y = ymsenπ cos π λ T 5 T = 0,04π seg y la frecuencia que es su inversa: ν = = Hz T π λ = 4π metros La distancia entre dos nodos (o antinodos) consecutivos es λ/ = π m y la distancia entre el y el 5 nodo, como puede verse en la figura es 3 veces λ/, por tanto 6π metros. b) Las ecuaciones de las ondas que por superposición dan lugar a esta onda estacionaria deben ser dos ondas iguales de amplitud m y de la misma longitud de onda y periodo, solo que deben viajar en sentidos opuestos. Además, esta onda se ha obtenido superponiendo dos ondas

18 armónicas desfasada π radianes respecto de las que nosotros hemos considerado en la teoría, por tanto: y y x t = sen ( π ) 4π 0,04π Avanza hacia la derecha x t = sen ( + π ) 4π 0,04π Avanza hacia la izquierda la velocidad de propagación de las ondas que generan esta onda estacionaria es: λ 4π v = = = 00m / s T 0,04π EB.S008 En una cuerda tensa de 6 m de longitud, con sus extremos fijos, se ha generado una onda de ecuación: π y( x,t ) = 0,0sen x cos( 8πt ) (S.I.) 4 a) Explique de qué tipo de onda se trata y cómo podría producirse. Calcule su longitud de onda y su frecuencia. b) Calcule la velocidad en función del tiempo de los puntos de la cuerda que se encuentran a 4 m y 6 m, respectivamente, de uno de los extremos y comente los resultados. a) Evidentemente si la cuerda está sujeta por ambos extremos la onda que tendrá lugar será estacionaria puesto que al llegar a los extremos se reflejará, de manera que tendremos una onda que va y otra que vuelve iguales y el resultado de su suma es una onda estacionaria: x t y = ymsenπ( + ) λ T Avanza hacia la izquierda x t y = ymsenπ( ) λ T Avanza hacia la derecha La superposición y = y + y y recordando que en cuenta que cosα = cos( α ) queda que: A + B A B sena + senb = sen cos y teniendo x t y = ymsenπ cos π Ec. onda estacionaria λ T comparando la ecuación general de una onda estacionaria con la ecuación concreta:

19 tenemos que: y( x x,t ) = 0,0senπ cos π ( 8 t 0,5 ) λ = 8m T = 0,5seg ν = = 4Hz T b) Una cosa es la velocidad de la onda, que es una constante ( v = λ = 8 = 3m / s ) y otra T 0,5 cosa es la velocidad con que vibran los puntos del medio, que como sabemos ejecutan un MAS y por tanto sus valores cinemáticos varían con el tiempo ente un valor máximo y uno mínimo. La velocidad de un punto se obtiene derivando la ecuación de su elongación, así que: dy x t v = = 0,0 8π senπ senπ ( ) dt 8 0,5 La velocidad en función del tiempo de los puntos x=4 y x=6 son, sin más que sustituir: 4 t t v x= 4 = 0,0 8π senπ senπ ( ) = 0,0 8π senπ senπ ( ) = 0 8 0,5 0,5 6 t 3π t t v x= 6 = 0,0 8π senπ senπ ( ) = 0,0 8π sen senπ ( ) = 0,6π senπ ( ) 8 0,5 0,5 0,5 Como puede verse, el punto que dista x=4 tiene una velocidad nula en todo momento (porque senπ=0), es decir, se trata de un nodo y no vibra, mientras que el punto que dista x=6 puede llegar a tener una velocidad máxima igual a la mayor posible (porque sen3π/= ). Este resultado era de esperar, ya que como la longitud de onda es λ = 8m, el punto que dista x=4 está a λ/ y es un nodo, mientras que el que dista x=6 está a 3λ/4 y es un antinodo.

20 E4B.S008 La ecuación de una onda que se propaga por una cuerda es: y( x,t ) = 0,0senπ (00t 40x ) (S.I.) a) Razone si es transversal o longitudinal y calcule la amplitud, la longitud de onda y el periodo. b) Calcule la velocidad de propagación de la onda. Es ésa la velocidad con la que se mueven los puntos de la cuerda? Qué implicaría que el signo negativo del paréntesis fuera positivo? Razone las respuestas. a) La ecuación de la onda indica la forma en que los puntos del medio vibran en función del tiempo, pero no indica si lo hacen en la dirección de propagación (onda longitudinal) o perpendicularmente a la dirección de propagación (onda transversal), y por tanto no sería posible responder a esta pregunta. No obstante, teniendo en cuenta las letras utilizadas, si consideramos que se propaga a lo largo del eje x y el desplazamiento de los puntos es sobre el eje y la onda sería transversal. Los parámetros de la onda, comparándola con la ecuación general: y( x,t ) = 0,0senπ ( 50t 0x ) t x y( x,t ) = ymsenπ ( ) T λ y m = 0,0m λ = / 0 = 0,05m T = / 50 = 0,0seg ν = = 50Hz T b) la velocidad de propagación de la onda es una constante que viene dada por: v 0,05 = λ =,5m / s T 0,0 = no tiene nada que ver con la velocidad con que vibran los puntos que lo hacen con una velocidad que varía con el tiempo y viene dada por: dy v = = 0,0 00π cosπ (00t 40x) dt La ecuación de la onda propuesta es una onda que viaja hacia la derecha, ya que al aumentar el tiempo aumenta x (por ir hacia la derecha) y para que se mantenga la fase habría que restar como así aparece. Sin embargo, si se cambiara el signo: y ( x,t ) = 0,0senπ(00t + 40x ) esta sería la ecuación de una onda que viaja hacia la izquierda, ya que al aumentar el tiempo disminuiría x (por ir hacia la izquierda), por tanto para mantener la fase habría que sumar.

21 E5B.S008 En una cuerda tensa, sujeta por sus extremos, se tiene una onda de ecuación: y( x,t ) ( 4πx) cos( 00πt ) = 0,0sen (S.I.) a) Indique el tipo de onda de que se trata. Explique las características de las ondas que dan lugar a la indicada y escriba sus respectivas ecuaciones. b) Calcule razonadamente la longitud mínima de la cuerda que puede contener esa onda. Podría existir esa onda en una cuerda más larga? Razone la respuesta. a) x t y = ymsenπ cos π Ec. onda estacionaria λ T comparando la ecuación general de una onda estacionaria con la ecuación concreta: λ = 0,5m x t y( x, t) = 0,0senπ cos π ( ) 0,5 0,0 T = 0, 0seg ν = = 00 Hz T Y la amplitud de las ondas que generan esta onda estacionaria es y m = 0,0/ = 0,0 m. Por tanto, las ecuaciones de las ondas armónicas que por superposición generan la onda estacionaria serían: x t y = 0,0senπ ( + ) 0,5 0,0 Avanza hacia la izquierda x t y = 0,0senπ ( ) 0,5 0,0 Avanza hacia la derecha b) Al estar sujeta la cuerda por los extremos, en ambos debe haber un nodo, de manera que la longitud de la cuerda para que se propague una onda cono esta debe ser un múltiplo entero de λ/, es decir que la longitud de la cuerda debe ser L = 0,5n, donde n=,, 3, Quiere decir que la longitud mínima de una cuerda para que se propague esta onda debe ser exactamente 0,5m. Y por supuesto podrá existir esa onda en una cuerda más larga, pero siempre que tenga una longitud igual a un múltiplo entero de λ/.

22 E5A.S008 a) Explique los fenómenos de reflexión y refracción de una onda en la superficie que separa dos medios. b) Razone qué magnitudes de una onda cambian cuando pasa de un medio a otro. Teoría EA.S008 a) Explique qué son ondas estacionarias y describa sus características. b) En una cuerda se ha generado una onda estacionaria. Explique por qué no se propaga energía a través de la cuerda. Teoría