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PROBLEMAS RESUELTOS
      DE ONDAS y SONIDO
                                 CURSO 2011 - 2012




Antonio J. Barbero, Mariano Hernández,
    Alfonso Calera, José González
 Departamento Física Aplicada. UCLM
                                                     1
Problemas resueltos ondas y sonido



PROBLEMA 1. Una onda se propaga por una cuerda según la ecuación (en unidades S.I.)
 Calcular:                 y = 0.2 sin (6π t + π x + π / 4 )
 a) La frecuencia, el periodo, la longitud de la onda y la velocidad de propagación.
 b) El estado de vibración, velocidad y aceleración de una partícula situada en x = 0,2 m en el instante t = 0,3 s.
 c) Diferencia de fase entre dos puntos separados 0,3 m.

                                                                   Se propaga en sentido
 a) Ecuación de la forma y ( x, t ) = A sin (ω t + k x + δ )        negativo del eje X
  ω = 2π f = 6π rad/s → f = 3 Hz → T = 1 f = 0.333 s                      ω       6π
                                                                     c=       =        = 6 m/s
  k = 2π λ = π m → λ = 2 m
                      -1
                                                                          k       π
 b) Para x = 0.2 m, t = 0.3 s.
 y = 0.2 sin (6π ⋅ 0.3 + π ⋅ 0.2 + π / 4 ) = 0.2 sin (7.069 ) = 0.1414 m
                    = 0.2 ⋅ 6π cos(6π t + π x + π / 4 ) = 0.2 ⋅ 6π cos (7.069 ) = 2.666 m/s
               dy
 Velocidad
                dt
                   d2y
 Aceleración           2
                         = −0.2 ⋅ 36π 2 sin (6π t + π x + π / 4 )
                                                 = 0.2 ⋅ 36π 2 cos (7.069 ) = −50.25 m/s 2
                    dt

 c) Diferencia de fase entre dos puntos separados ∆x = 0.3 m
   δ1 = 6π t + π x + π / 4
                                       ∆δ = δ 2 − δ1 = 0.3 π rad
   δ 2 = 6π t + π (x + 0.3) + π / 4




                                                                                                                        2
Problemas resueltos ondas y sonido



PROBLEMA 2. La ecuación de una onda transversal que viaja por una cuerda tensa está dada por
           y = 6 sin (0.02π x + 4π t )      donde x, y están en cm; t en segundos
 a) Poner esta ecuación en forma coseno. Determinar su longitud de onda y su frecuencia.
 b) ¿Cuál es su amplitud? ¿En qué sentido se propaga, y cuál es la velocidad de propagación?
 c) ¿Cuál es la velocidad máxima de vibración de un punto de la cuerda? ¿Y la aceleración máxima?


 a) Para ponerla en forma coseno tendremos en cuenta la relación              (El seno de un ángulo
                                                                              está atrasado π /2 rad
        cos(φ − π / 2 ) = cos φ cos(π / 2) + sin φ sin (π / 2 ) = sin φ        respecto al coseno)

   y = 6 sin (0.02π x + 4π t ) = 6 cos(0.02π x + 4π t − π / 2 )

                                                                                                             f = 2 Hz
    Número de    2π                                         Frecuencia         2π
              k=    = 0.02π cm -1        λ = 100 cm         angular ω
                                                                            ω=    = 2π f = 4π rad/s
     ondas k      λ                                                            T                             T = 0.5 s

   b) Amplitud: directamente de la ecuación A = 6 cm.          Velocidad           ω        4π rad/s
                                                                              v=       =               = 200 cm/s
      Se propaga en el sentido negativo del eje X.            propagación          k       0.02π cm -1
   c) Velocidad de vibración
            d y ( x, t )
       y=
       &                  = 6 ⋅ 4π cos(0.02π x + 4π t ) = 24π cos(0.02π x + 4π t )         ymax = 24π cm/s
                                                                                           &
                dt
            d 2 y ( x, t )
       && =
       y           2
                           = −24π ·4π sin (0.02π x + 4π t ) = −96π 2 sin (0.02π x + 4π t )     &&max = 96π 2 cm/s 2
                                                                                               y
                dt

                                                                                                                  3
Problemas resueltos ondas y sonido


PROBLEMA 3. El nivel de presión LP de una onda sonora se define como
                                                   2
                                        ⎛p ⎞               ⎛p ⎞
                          LP = 10 log10 ⎜ rms ⎟ = 20 log10 ⎜ rms ⎟ donde pref = 2 ⋅10 Pa
                                                                                     −5
                                        ⎜ p ref ⎟          ⎜ p ref ⎟
                                        ⎝       ⎠          ⎝       ⎠
siendo prms el valor rms de la onda de presión en el punto considerado.
Un diapasón vibra con una frecuencia de 275.2 Hz. Una persona que oye la nota
                                                                                                                                                     X
emitida por el mismo percibe un nivel de presión de 64 dB. Calcular la longitud de
onda, escribir la ecuación de onda y determinar la intensidad de la onda en W/m2.
Densidad del aire ρ = 1,29 g/litro. Velocidad de propagación del sonido v = 344 m/s.
Relación entre la intensidad en W/m2 y la presión en Pa: I = prms / (ρ ·v )
                                                              2




                                                                     λ                           v    344  5
Longitud de onda: cálculo a partir de v =                                = λ· f           λ=       =      = = 1.25 m
                                                                     T                           f   275.2 4
                                                            ⎛p ⎞                                                                  ⎛ p      ⎞
Amplitud de la onda sonora                    LP = 20 log10 ⎜ rms ⎟                 prms = p ref ·10 LP / 20        64 = 20 log10 ⎜ rms ⎟
                                                            ⎜ p ref ⎟                                                                   −5
                                                                                                                                  ⎝ 2·10 ⎠
                                                            ⎝       ⎠
                                         ⎛ p     ⎞ 64                 prms = 2·10 −5 ·103.2 = 3.17·10 −2 Pa
                                   log10 ⎜ rms 5 ⎟ =
                                               −
                                                      = 3.2
                                         ⎝ 2·10 ⎠ 20
                                                                                                                 Ecuación de onda
Cálculo de ω y k                   ω = 2π f = 2π ⋅ 275.2 = 550.4π = 1729.1 rad/s                               p = prms 2 cos(kx − ωt )
                                       ω         ω 1729.1
                                   v=       → k=           =          = 5.0 m
                                                                     -1
                                                                                                  p = 3.17 2 ·10 −2 cos(5.0 x − 550.4π t )
                                        k              v       344
                                        2
                                       prms
Intensidad (              )         I=
                 W/m2
                              -3
                                       ρ ·v
                                                               I=
                                                                  (3.17·10 ) −3 2
                                                                                    = 2.26·10 −6 W/m 2
                          10 kg        kg                            1.29·344
ρ = 1.29 g/litro = 1.29     -3 3
                                 = 1.29 3
                          10 m         m
                                                                                                                                               4
Problemas resueltos ondas y sonido
PROBLEMA 4
Un diapasón montado sobre una caja de resonancia se golpea con un martillete
emitiendo una onda sonora de 612 Hz que se propaga a 340 m/s y alcanza un
receptor. Considerando que la onda que alcanza el receptor es una onda plana, se
pide:
a) Si la sobrepresión máxima producida por la onda sonora en el receptor es igual
a p0 = 2⋅10-4 Pa, escribir la ecuación de la onda viajera, explicando la elección que
se haga para la fase inicial, y calcular su longitud de onda.
b) La intensidad del sonido en función de la presión está dada por la relación                         2
indicada en el recuadro al margen. Calcular la intensidad del sonido que percibe el                 1 p0
                                                                                         Ayuda   I=
receptor. ¿Cuáles son sus unidades en el S.I?                                                       2ρv
c) Tomando como intensidad de referencia I0 = 10-12 W/m2, calcular el nivel de intensidad en dB.
d) En un segundo experimento se vuelve a golpear el diapasón y en el receptor el nivel de intensidad es 20 dB
mayor que antes. ¿Cuál es la intensidad que llega al receptor?
Dato. Densidad del aire en las condiciones del experimento: ρ = 1.22 kg/m3

 a) Onda sonora de 612 Hz que se propaga a 340 m/s. Sobrepresión máxima en el receptor p0 = 2⋅10-4 Pa.
          ω            ω 2π f          612                       2π    2π
      v=            k= =          = 2π     = 3.6π m -1       λ=     =      = 0.555 m
          k             v    v         340                        k   3.6π
      ω = 2π f = 2π ⋅ 612 = 1224π rad/s        Suponemos que se propaga de izquierda a derecha

       p( x, t ) = p0 cos(kx − ω t + δ )      p(0,0) = p0 cos(δ ) = p0       δ =0

       Elegimos como punto inicial el momento
       en que la presión pasa por un máximo
                                              p( x, t ) = 2 ⋅10 −4 cos(3.6π x − 1224π t )   ( p en Pa)

                                                            2π    2π
                                    Longitud de onda   λ=      =      = 0.555 m                            5
                                                             k   3.6π
Problemas resueltos ondas y sonido

PROBLEMA 4 (Continuación)
b) La intensidad del sonido en función de la presión está dada por la relación                         2
indicada en el recuadro al margen. Calcular la intensidad del sonido que percibe el                 1 p0
                                                                                         Ayuda   I=
receptor. ¿Cuáles son sus unidades en el S.I?                                                       2ρv
c) Tomando como intensidad de referencia I0 = 10-12 W/m2, calcular el nivel de intensidad en dB.
d) En un segundo experimento se vuelve a golpear el diapasón y en el receptor el nivel de intensidad es 20 dB
mayor que antes. ¿Cuál es la intensidad que llega al receptor?
Dato. Densidad del aire en las condiciones del experimento: ρ = 1.22 kg/m3


 b) Nivel de intensidad que percibe el receptor        I=
                                                          1 p02

                                                                = ⋅
                                                                     (
                                                                 1 2 ⋅10 − 4 )
                                                                             2

                                                                             = 4.82 ⋅10 −11 W/m 2
                                                          2 ρ v 2 1.22 ⋅ 340
    Densidad del aire: ρ = 1.22 kg/m3

    Justificación de las unidades S.I.   [I ] = Potencia ≡ watios
                                                              2
                                                Área        m
                                      ⎛ 4.82 ⋅10 −11 ⎞
                                      ⎜ 10 −12 ⎟ = 10 log 4.82 ⋅10 + 120 = 17 dB
 c) Nivel de intensidad LI = 10 log10 ⎜              ⎟          ( −11
                                                                         )
                                      ⎝              ⎠
d) En un segundo experimento se vuelve a golpear el diapasón y en el receptor el nivel de intensidad es 20 dB
mayor que antes. ¿Cuál es la intensidad que llega al receptor?
                                   ⎛ I′ ⎞        ⎛ I′ ⎞             I′
LI′ = LI + 20 = 17 + 20 = 10 log10 ⎜ −12 ⎟ log10 ⎜ −12 ⎟ = 3.7       −12
                                                                         = 103.7
                                   ⎝ 10 ⎠        ⎝ 10 ⎠           10
                                            I ′ = 103.7 ⋅10 −12 = 5 ⋅10 −9 W/m 2



                                                                                                             6
Problemas resueltos ondas y sonido



PROBLEMA 5
Un silbato que emite una frecuencia de 4300 Hz produce una onda cuyo valor máximo de presión por
encima de la presión ambiental es 4⋅10-2 Pa. Esta onda se propaga a 344 m/s en el aire.
a) Escribir la ecuación de onda. Determinar la longitud de onda.
b) ¿Cuál es el nivel de presión sonora?. Presión de referencia pref = 2⋅10-5 Pa.


 a) Ecuación de onda: consideramos una onda plana en el sentido creciente del eje X y tomamos el origen de
 modo que la fase inicial sea cero.
                                       p(x, t ) = p0 cos(k x − ω t )   p, p0 en Pa, x en m, t en s

 ω = 2π f = 2π ⋅ 4300 = 8600π Hz                      p(x, t ) = 4 ⋅10 −2 cos(25π x − 8600π t ) (Pa)
       ω           ω       8600π                    2π   2π
  v=          k=       =         = 25π m -1    λ=      =     = 0.08 m
       k           v        344                      k   25π
  b) Nivel de presión sonora. Presión de referencia pref = 2⋅10-5 Pa.
                                       2
                                ⎛ p0 ⎞               ⎛       ⎞         ⎛ 4 ⋅10 −2 ⎞
                                ⎜       ⎟ = 20 log10 ⎜ p0 ⎟ = 20 log10 ⎜
                  LP = 10 log10
                                ⎜ p ref ⎟            ⎜ p ref ⎟         ⎜ 2 ⋅10 −5 ⎟ = 66 dB
                                                                                  ⎟
                                ⎝       ⎠            ⎝       ⎠         ⎝          ⎠




                                                                                                                 7
Problemas resueltos ondas y sonido

PROBLEMA 6
Un tono puro de 432.9 Hz se propaga en el aire a 340 m/s. La amplitud de la onda de presión en
un punto situado a 2 m de la fuente es de 184 mPa. Se pide:
(a) La ecuación de onda y representar en el punto indicado la presión como función del tiempo.
(b) Calcular la intensidad de la onda y el nivel de intensidad en dicho punto.
Umbral de percepción de intensidad I0 = 10-12 W·m-2; densidad del aire 1.27 kg.m-3.
                                                                                     ω            ω       2720
Cálculo de ω y k       ω = 2π f = 2π ⋅ 432.9 = 865.8π rad/s = 2720 rad/s        v=       → k=         =        = 8 m -1
                                                                                     k            v       340
 p = pm cos(kx − ωt ) = 184 cos(8 x − 2720 t ) (mPa )

Representación gráfica en x = 2 m
                                                                Valor rms de                  pm 184
 p = 184 cos(16 − 2720 t ) (mPa )                                                    prms =      =   = 130 mPa
                                                                 la presión                    2   2
  200



                                                                                  (130·10 )
                                                                     2
  150                                                               prms                   −3 2
                                                                 I=            I=                 = 3.91·10 −5 W/m 2
  100                                                               ρ ·c             1.27·340
  50
                                                                           I         3,91·10 −5
   0                                                            LI = 10 log = 10 log            = 75.9 ≈ 76 dB
                                                                           I0          10 −12
  -50


 -100


 -150


 -200
    0,000   0,002    0,004    0,006    0,008            0,010

                                               t (s )
                                                                                                                     8
Problemas resueltos ondas y sonido
 PROBLEMA 7
El nivel de intensidad de la sirena de un barco, percibido por un marinero en la cubierta a 10
metros de distancia de la misma, es de 70 dB.
Determinar (a) el nivel de intensidad a 1 km de distancia; (b) la distancia a la cual la sirena dejará
de ser audible; (c) la presión rms de la onda sonora a la distancia a la que la sirena deja de ser
audible. Umbral de percepción de intensidad I0 = 10-12 W·m-2; densidad del aire 1.20 kg.m-3;
velocidad del sonido 338 m/s.
                                              I1                                                  Intensidad de la
A 10 m de distancia (punto 1) LI 1 = 10 log      = 70 dB        I1 = 10 −12 ·107 = 10 −5 W·m -2   onda en cubierta
                                              I0
                                                    I2                         ⎛    I       I ⎞          I
A 1 km de distancia (punto 2)       LI 2 = 10 log             LI 2 − LI 1 = 10 ⎜ log 2 − log 1 ⎟ = 10 log 2 = LI 2 − 70
                                                                               ⎜
                                                    I0                         ⎝    I0      I0 ⎟
                                                                                               ⎠         I1

La intensidad de las ondas
sonoras      es      inversamente    I 2 r12  10 2 10 2
proporcional al cuadrado de la          = 2 = 3 2 = 6 = 10 − 4                   LI 2 = 70 + 10 log 10 −4 = 70 − 40 = 30 dB
distancia a la fuente (suponemos
                                     I1 r2   (10 ) 10
propagación isótropa)

La distancia r0 a la que la sirena deja de ser                I1 r02
                                                                 =
                                                                                        I1      10 −5
audible es aquella a la intensidad de la onda se                             r0 = r1       = 10        = 31600 m
                                                              I 0 r12                   I0      10 −12
hace igual al límite de percepción I0 = 10-12 W·m-2

 Relación entre la
                           2
 intensidad y la          prms
                                       ( prms )0 = ρ ·c·I 0                                        Umbral de
                       I=                                     = 1.29·344·10 −12 = 2·10 −5 Pa       presión = 20 µPa
 presión rms de la        ρ ·c
                                                                                                                9
 onda sonora
Problemas resueltos ondas y sonido
PROBLEMA 8
Una fuente sonora isótropa produce un nivel de intensidad de 65 dB a 1 m de distancia. Las
condiciones ambientales son densidad del aire 1.27 kg.m-3 y velocidad del sonido 340 m/s.
Calcular (a) la potencia emitida por la fuente; (b) el valor máximo de la presión de la onda sonora
a 2 m de la fuente ¿Cuál es el valor rms correspondiente?. Umbral de percepción de intensidad I0
= 10-12 W·m-2.

                I1                 I1
LI 1 = 10 log      = 65 dB   log      = 6.5   I1 = 10 −12 ·106.5 = 10 −5.5 W·m -2 = 3.16·10 −6 W·m -2       Intensidad a 1 m de la fuente
                I0                 I0
La intensidad a 1 m de la fuente es la                                               &
                                                                                    W = I1 ·4π r12
                                                                        W&
potencia emitida repartida sobre la                               I1 =
                                                                       4π r12        &
                                                                                    W = 4π · 3.16 · 10 −6 W = 4·10 −5 W
superficie de una esfera de radio r1 = 1m.

 Para determinar la presión de la onda sonora calculamos la intensidad a r2 = 2 m de la fuente.
 La intensidad de las ondas
 sonoras es inversamente                  I 2 r12                     r12     −5.5 1
                                                                                    2
                                                                                         10 −5.5
                                             =                I 2 = I1 2 = 10          =         = 7.91·10 −7 W·m -2
 proporcional al cuadrado                 I1 r22                      r2           2 2
                                                                                           4
 de la distancia a la fuente
  Relación entre la
                                     2
  intensidad y la                  pm
                               I=                   ( pm )2 =    2 ρ ·c·I 2 = 2·1.27·340·7.91·10 −7 = 2.61·10 −2 Pa
  presión máxima                  2 ρ ·c
  de la onda sonora
 En una función senoidal la relación                            pm 2.61·10 −2 Pa
                                                     prms =        =             = 1.85·10 − 2 Pa
 entre valor máximo y valor rms es                               2       2                                                10
Problemas resueltos ondas y sonido

PROBLEMA 9. Un altavoz de forma semiesférica se ajusta para un nivel de intensidad de 40 dB
a 10 m de distancia. (a) ¿Cuál es la intensidad en W·m-2 a esa distancia? (b) ¿Cuál es el nivel de
intensidad a 2.5 m de distancia? (c) Suponiendo que el altavoz semiesférico es una fuente
isótropa de sonido, ¿cuál es su potencia? (d) ¿Cuál es la presión rms a 20 m de distancia?
Densidad del aire 1.29 kg.m-3; velocidad del sonido 344 m/s. Umbral de percepción de intensidad
I0 = 10-12 W·m-2.
                                                                I1
A r1 = 10 m de distancia (punto 1)              LI 1 = 10 log      = 40 dB        I1 = 10 −12 ·10 4 = 10 −8 W·m -2
                                                                I0
Intensidad inversamente proporcional al cuadrado de la                           I 2 r12
                                                                                    =
distancia a la fuente, por tanto para r2 = 2.5 m la intensidad es                I1 r22
         r12     −8 10
                       2
                                 −7                      I2        1.6·10 −7
 I 2 = I1 2 = 10         = 1.6·10 W·m -2
                                            LI 2 = 10 log = 10 log           = 52 dB
         r2         2.52                                 I0         10 −12
    3
             La potencia emitida por el altavoz se distribuye uniformemente sobre una superficie
             semiesférica. Por lo tanto, tomando el dato de I1 y r1 tenemos que
                           W&
                   I1 =                 W = I1 ·2π r12
                                         &                 &
                                                          W = 10 −8 ·2π · 10 2 = 6.28·10 −6 W
      r3                  2π r12
 1
                      Para calcular la presión rms a 20 m hallamos primero la intensidad de la onda
               2       I 3 r12             r12       10 2
       r1                 = 2      I 3 = I1 2 = 10 −8 2 = 2.5·10 −7 W·m -2
                       I1 r3               r3        20
              r2
                   I = prms / (ρ ·c )
                        2
                                         prms = I ·ρ ·c = 2.5·10 −7 ·1.29·344 = 1.05·10 −2 Pa
                                                                                                                 11
Problemas resueltos ondas y sonido



 PROBLEMA 10. La ecuación de una onda transversal que se propaga por una cuerda viene dada por:
                     y = 0.06 sin (0.40π x + 50π t )      (Unidades S.I.)
 Calcular:
a) La frecuencia, el periodo, la longitud de onda y la velocidad de propagación.             Ayuda
b) La velocidad transversal en un punto cualquiera de la cuerda
                                                                                                 A− B ⎞ ⎛ A+ B ⎞
c) Admitiendo que esta onda se propaga a lo largo de una cuerda fija por sin A − sin B = 2 sin ⎛
                                                                                               ⎜      ⎟ cos⎜   ⎟
                                                                                               ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠
ambos extremos, ¿cuál será la ecuación de la onda estacionaria resultante de
la interferencia de la onda dada con la onda reflejada en el otro extremo y
que se propaga en sentido contrario?.
d) La distancia entre dos vientres consecutivos de la onda estacionaria


                                                                   ω = 50π rad/s
a) Se trata de una onda viajera en el sentido negativo del eje X
                                                      k = 0.40π m -1
   ω = 2π f = 50π rad/s → f = ω 2π = 25 Hz → T = 1 f = 0.04 s
   k = 2π λ = 0.40π m -1 → λ = 2π 0.40π = 5 m
                                      ω        50π
    Velocidad de propagación     c=       =         = 125 m/s
                                      k       0.40π

b) La velocidad transversal en un punto cualquiera de la cuerda.
   d y ( x, t )
                = 0.05 ⋅ 50π cos(0.40π x + 50π t ) = 2.5π cos(0.40π x + 50π t )    (m/s)
      dt

                                                                                                            12
Problemas resueltos ondas y sonido
PROBLEMA 10 (continuación)
 c) Admitiendo que esta onda se propaga a lo largo de una cuerda fija por
 ambos extremos, ¿cuál será la ecuación de la onda estacionaria resultante de                                        Ayuda
 la interferencia de la onda dada con la onda reflejada en el otro extremo y                                             ⎛ A− B ⎞ ⎛ A+ B ⎞
                                                                                                   sin A − sin B = 2 sin ⎜      ⎟ cos⎜   ⎟
 que se propaga en sentido contrario?.                                                                                   ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠
d) La distancia entre dos vientres consecutivos de la onda estacionaria

                                                                 y2 ( x, t ) = −0.05 sin (k x − ω t )
                                                                                                             Se invierte la fase
 c) La onda que se propaga en sentido contrario es                                                           de la onda reflejada
   La superposición de las dos, llamando y1(x,t) a la primera, es:                0.40π m -1 50π rad/s

    y1 ( x, t ) = 0.05 sin (k x + ω t ) = 0.05 sin k x cos ω t + 0.05 cos k x sin ω t
   y2 ( x, t ) = −0.05 sin (k x − ω t ) = −0.05 sin k x cos ω t + 0.05 cos k x sin ω t
                                Suma: y1 ( x, t ) + y2 ( x, t ) = 0.10 cos k x ⋅ sin ω t
                                   y1 ( x, t ) + y2 ( x, t ) = 0.10 cos(0.40π x ) ⋅ sin (50π t )         Onda estacionaria
                                                                                                    A− B ⎞      ⎛ A+ B ⎞
   Procedimiento alternativo: usando la relación trigonométrica sin A − sin B = 2 sin ⎛
                                                                                      ⎜                  ⎟ ⋅ cos⎜      ⎟
                                                                                                   ⎝ 2 ⎠        ⎝ 2 ⎠
   y1 ( x, t ) = 0.05 sin (k x + ω t )    A = k x +ω t         A − B = 2ω t
  y2 ( x, t ) = −0.05 sin (k x − ω t )    B = k x −ω t         A + B = 2k x
   y1 ( x, t ) + y2 ( x, t ) = 0.05 sin (k x + ω t ) − 0.05 sin (k x − ω t ) = −0.10 cos k x ⋅ sin ω t
                              y1 ( x, t ) + y2 ( x, t ) = 0.10 cos(0.40π x ) ⋅ sin (50π t )
d) La distancia entre dos vientres consecutivos de la onda estacionaria es igual que la distancia entre dos
nodos consecutivos (puntos donde la amplitud es nula)
Hay un nodo si cos(0.40π x ) = 0         0.40π x = (2n + 1) π / 2 (n entero)
                                   2n + 1 Cuando n = 0 → x0 = 1.25 m
 Posiciones de los nodos      xn =
                                    0.80 Cuando n = 1 → x1 = 3.75 m
                                                                                                                                  13
                                                                                                    (Véase que es la mitad de la longitud
 Distancia entre vientres = distancia entre nodos = x1 − x0 = 2.5 m                                 de onda de las ondas que interfieren)
Problemas resueltos ondas y sonido
PROBLEMA 11
La ecuación del segundo armónico de una onda estacionaria en una cuerda de 10 m de longitud sometida a
una tensión de 50 N está dada por
                  y ( x, t ) = 8 sin (0.2π x ) ⋅ sin (20π t )       x en m, y en cm, t en s
a) Determinar la frecuencia y velocidad de propagación de las ondas viajeras cuya interferencia produce la
onda estacionaria en esta cuerda y calcular la densidad lineal de masa.
b) Escribir la ecuación de onda del término fundamental. Hallar la máxima velocidad de vibración de un punto
de la cuerda en este modo, suponiendo que la amplitud máxima es igual que la del segundo armónico.
c) Determinar las posiciones de los nodos del cuarto armónico.                     y (cm)
                                                                                                             10



a) Parámetros de la onda         k 2 = 0.2π m -1                     ω2 = 20π rad ⋅ s -1
                                                                                                               8

                                                                                                               6

. estacionaria                   2π      2π                            ω     20π                               4

                            λ2 =      =      = 10 m                f2 = 2 =      = 10 Hz
                                  k 2 0.2π
                                                                                                               2

                                                                       2π    2π                                0


       ω2       20π                                                  T     50
                                                                                                             -2


  v=        =        = 100 m/s                v=
                                                      T
                                                                µ=       = 4 = 5 ⋅10 −3 kg/m
                                                                                                             -4


       k2       0.2π                                  µ              v 2
                                                                          10                                 -6

                                                                                                             -8
                                                                                                                                                                                     x (m)
 b) Las frecuencias de todos los armónicos son                                          ω2                -10


                                                                f n = n ⋅ f1     ω1 =        = 10π rad ⋅ s   -1 0        1       2       3       4       5       6       7       8        9    10


 . múltiplos enteros del término fundamental                                            2
                              λ            2L                             2L
    Longitud de onda: L = n n         λn =                         λ1 =      = 20 m          k1 = 2π / λ1 = 2π / 20 = 0.1π m -1
                               2            n                              1
    y1 ( x, t ) = 8 sin (0.1π x ) ⋅ sin (10π t ) x en m, y en cm, t en s                     vmax = y1 ( x, t )]max = 80π cm/s
                                                                                                    &
                                                                                                         10
                                                                                                                    y (cm)
                                        2L                        2π2π
                                   λ4 =    =5m                         = 0.4π m -1
                                                                                                          8

c) Ecuación 4º armónico                                   k4 =    =
                                                               λ4
                                                                                                          6

                                         4                           5
   ω4 = 4ω1 = 40π rad ⋅ s -1
                                                                                                          4

                                                                                                          2

                                                       Hay un nodo para cada valor x que verifica
   y4 ( x, t ) = 8 sin (0.4π x ) ⋅ sin (40π t )
                                                                                                          0


                                                                       sin (0.4π x ) = 0                  -2

                                                                                                          -4
   x en m, y en cm, t en s
                                                  x1 = 0 x2 = 2.5 x3 = 5 x4 = 7.5 x5 = 10 (m)
                                                                                                          -6

                                                                                                          -8                                                             14
                                                                                                         -10
                                                                                                                                                                                     x (m)
                                                                                                               0     1       2       3       4       5       6       7       8        9       10

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Problemas ondas y sonido

  • 1. PROBLEMAS RESUELTOS DE ONDAS y SONIDO CURSO 2011 - 2012 Antonio J. Barbero, Mariano Hernández, Alfonso Calera, José González Departamento Física Aplicada. UCLM 1
  • 2. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 1. Una onda se propaga por una cuerda según la ecuación (en unidades S.I.) Calcular: y = 0.2 sin (6π t + π x + π / 4 ) a) La frecuencia, el periodo, la longitud de la onda y la velocidad de propagación. b) El estado de vibración, velocidad y aceleración de una partícula situada en x = 0,2 m en el instante t = 0,3 s. c) Diferencia de fase entre dos puntos separados 0,3 m. Se propaga en sentido a) Ecuación de la forma y ( x, t ) = A sin (ω t + k x + δ ) negativo del eje X ω = 2π f = 6π rad/s → f = 3 Hz → T = 1 f = 0.333 s ω 6π c= = = 6 m/s k = 2π λ = π m → λ = 2 m -1 k π b) Para x = 0.2 m, t = 0.3 s. y = 0.2 sin (6π ⋅ 0.3 + π ⋅ 0.2 + π / 4 ) = 0.2 sin (7.069 ) = 0.1414 m = 0.2 ⋅ 6π cos(6π t + π x + π / 4 ) = 0.2 ⋅ 6π cos (7.069 ) = 2.666 m/s dy Velocidad dt d2y Aceleración 2 = −0.2 ⋅ 36π 2 sin (6π t + π x + π / 4 ) = 0.2 ⋅ 36π 2 cos (7.069 ) = −50.25 m/s 2 dt c) Diferencia de fase entre dos puntos separados ∆x = 0.3 m δ1 = 6π t + π x + π / 4 ∆δ = δ 2 − δ1 = 0.3 π rad δ 2 = 6π t + π (x + 0.3) + π / 4 2
  • 3. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 2. La ecuación de una onda transversal que viaja por una cuerda tensa está dada por y = 6 sin (0.02π x + 4π t ) donde x, y están en cm; t en segundos a) Poner esta ecuación en forma coseno. Determinar su longitud de onda y su frecuencia. b) ¿Cuál es su amplitud? ¿En qué sentido se propaga, y cuál es la velocidad de propagación? c) ¿Cuál es la velocidad máxima de vibración de un punto de la cuerda? ¿Y la aceleración máxima? a) Para ponerla en forma coseno tendremos en cuenta la relación (El seno de un ángulo está atrasado π /2 rad cos(φ − π / 2 ) = cos φ cos(π / 2) + sin φ sin (π / 2 ) = sin φ respecto al coseno) y = 6 sin (0.02π x + 4π t ) = 6 cos(0.02π x + 4π t − π / 2 ) f = 2 Hz Número de 2π Frecuencia 2π k= = 0.02π cm -1 λ = 100 cm angular ω ω= = 2π f = 4π rad/s ondas k λ T T = 0.5 s b) Amplitud: directamente de la ecuación A = 6 cm. Velocidad ω 4π rad/s v= = = 200 cm/s Se propaga en el sentido negativo del eje X. propagación k 0.02π cm -1 c) Velocidad de vibración d y ( x, t ) y= & = 6 ⋅ 4π cos(0.02π x + 4π t ) = 24π cos(0.02π x + 4π t ) ymax = 24π cm/s & dt d 2 y ( x, t ) && = y 2 = −24π ·4π sin (0.02π x + 4π t ) = −96π 2 sin (0.02π x + 4π t ) &&max = 96π 2 cm/s 2 y dt 3
  • 4. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 3. El nivel de presión LP de una onda sonora se define como 2 ⎛p ⎞ ⎛p ⎞ LP = 10 log10 ⎜ rms ⎟ = 20 log10 ⎜ rms ⎟ donde pref = 2 ⋅10 Pa −5 ⎜ p ref ⎟ ⎜ p ref ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ siendo prms el valor rms de la onda de presión en el punto considerado. Un diapasón vibra con una frecuencia de 275.2 Hz. Una persona que oye la nota X emitida por el mismo percibe un nivel de presión de 64 dB. Calcular la longitud de onda, escribir la ecuación de onda y determinar la intensidad de la onda en W/m2. Densidad del aire ρ = 1,29 g/litro. Velocidad de propagación del sonido v = 344 m/s. Relación entre la intensidad en W/m2 y la presión en Pa: I = prms / (ρ ·v ) 2 λ v 344 5 Longitud de onda: cálculo a partir de v = = λ· f λ= = = = 1.25 m T f 275.2 4 ⎛p ⎞ ⎛ p ⎞ Amplitud de la onda sonora LP = 20 log10 ⎜ rms ⎟ prms = p ref ·10 LP / 20 64 = 20 log10 ⎜ rms ⎟ ⎜ p ref ⎟ −5 ⎝ 2·10 ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ p ⎞ 64 prms = 2·10 −5 ·103.2 = 3.17·10 −2 Pa log10 ⎜ rms 5 ⎟ = − = 3.2 ⎝ 2·10 ⎠ 20 Ecuación de onda Cálculo de ω y k ω = 2π f = 2π ⋅ 275.2 = 550.4π = 1729.1 rad/s p = prms 2 cos(kx − ωt ) ω ω 1729.1 v= → k= = = 5.0 m -1 p = 3.17 2 ·10 −2 cos(5.0 x − 550.4π t ) k v 344 2 prms Intensidad ( ) I= W/m2 -3 ρ ·v I= (3.17·10 ) −3 2 = 2.26·10 −6 W/m 2 10 kg kg 1.29·344 ρ = 1.29 g/litro = 1.29 -3 3 = 1.29 3 10 m m 4
  • 5. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 4 Un diapasón montado sobre una caja de resonancia se golpea con un martillete emitiendo una onda sonora de 612 Hz que se propaga a 340 m/s y alcanza un receptor. Considerando que la onda que alcanza el receptor es una onda plana, se pide: a) Si la sobrepresión máxima producida por la onda sonora en el receptor es igual a p0 = 2⋅10-4 Pa, escribir la ecuación de la onda viajera, explicando la elección que se haga para la fase inicial, y calcular su longitud de onda. b) La intensidad del sonido en función de la presión está dada por la relación 2 indicada en el recuadro al margen. Calcular la intensidad del sonido que percibe el 1 p0 Ayuda I= receptor. ¿Cuáles son sus unidades en el S.I? 2ρv c) Tomando como intensidad de referencia I0 = 10-12 W/m2, calcular el nivel de intensidad en dB. d) En un segundo experimento se vuelve a golpear el diapasón y en el receptor el nivel de intensidad es 20 dB mayor que antes. ¿Cuál es la intensidad que llega al receptor? Dato. Densidad del aire en las condiciones del experimento: ρ = 1.22 kg/m3 a) Onda sonora de 612 Hz que se propaga a 340 m/s. Sobrepresión máxima en el receptor p0 = 2⋅10-4 Pa. ω ω 2π f 612 2π 2π v= k= = = 2π = 3.6π m -1 λ= = = 0.555 m k v v 340 k 3.6π ω = 2π f = 2π ⋅ 612 = 1224π rad/s Suponemos que se propaga de izquierda a derecha p( x, t ) = p0 cos(kx − ω t + δ ) p(0,0) = p0 cos(δ ) = p0 δ =0 Elegimos como punto inicial el momento en que la presión pasa por un máximo p( x, t ) = 2 ⋅10 −4 cos(3.6π x − 1224π t ) ( p en Pa) 2π 2π Longitud de onda λ= = = 0.555 m 5 k 3.6π
  • 6. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 4 (Continuación) b) La intensidad del sonido en función de la presión está dada por la relación 2 indicada en el recuadro al margen. Calcular la intensidad del sonido que percibe el 1 p0 Ayuda I= receptor. ¿Cuáles son sus unidades en el S.I? 2ρv c) Tomando como intensidad de referencia I0 = 10-12 W/m2, calcular el nivel de intensidad en dB. d) En un segundo experimento se vuelve a golpear el diapasón y en el receptor el nivel de intensidad es 20 dB mayor que antes. ¿Cuál es la intensidad que llega al receptor? Dato. Densidad del aire en las condiciones del experimento: ρ = 1.22 kg/m3 b) Nivel de intensidad que percibe el receptor I= 1 p02 = ⋅ ( 1 2 ⋅10 − 4 ) 2 = 4.82 ⋅10 −11 W/m 2 2 ρ v 2 1.22 ⋅ 340 Densidad del aire: ρ = 1.22 kg/m3 Justificación de las unidades S.I. [I ] = Potencia ≡ watios 2 Área m ⎛ 4.82 ⋅10 −11 ⎞ ⎜ 10 −12 ⎟ = 10 log 4.82 ⋅10 + 120 = 17 dB c) Nivel de intensidad LI = 10 log10 ⎜ ⎟ ( −11 ) ⎝ ⎠ d) En un segundo experimento se vuelve a golpear el diapasón y en el receptor el nivel de intensidad es 20 dB mayor que antes. ¿Cuál es la intensidad que llega al receptor? ⎛ I′ ⎞ ⎛ I′ ⎞ I′ LI′ = LI + 20 = 17 + 20 = 10 log10 ⎜ −12 ⎟ log10 ⎜ −12 ⎟ = 3.7 −12 = 103.7 ⎝ 10 ⎠ ⎝ 10 ⎠ 10 I ′ = 103.7 ⋅10 −12 = 5 ⋅10 −9 W/m 2 6
  • 7. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 5 Un silbato que emite una frecuencia de 4300 Hz produce una onda cuyo valor máximo de presión por encima de la presión ambiental es 4⋅10-2 Pa. Esta onda se propaga a 344 m/s en el aire. a) Escribir la ecuación de onda. Determinar la longitud de onda. b) ¿Cuál es el nivel de presión sonora?. Presión de referencia pref = 2⋅10-5 Pa. a) Ecuación de onda: consideramos una onda plana en el sentido creciente del eje X y tomamos el origen de modo que la fase inicial sea cero. p(x, t ) = p0 cos(k x − ω t ) p, p0 en Pa, x en m, t en s ω = 2π f = 2π ⋅ 4300 = 8600π Hz p(x, t ) = 4 ⋅10 −2 cos(25π x − 8600π t ) (Pa) ω ω 8600π 2π 2π v= k= = = 25π m -1 λ= = = 0.08 m k v 344 k 25π b) Nivel de presión sonora. Presión de referencia pref = 2⋅10-5 Pa. 2 ⎛ p0 ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ 4 ⋅10 −2 ⎞ ⎜ ⎟ = 20 log10 ⎜ p0 ⎟ = 20 log10 ⎜ LP = 10 log10 ⎜ p ref ⎟ ⎜ p ref ⎟ ⎜ 2 ⋅10 −5 ⎟ = 66 dB ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 7
  • 8. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 6 Un tono puro de 432.9 Hz se propaga en el aire a 340 m/s. La amplitud de la onda de presión en un punto situado a 2 m de la fuente es de 184 mPa. Se pide: (a) La ecuación de onda y representar en el punto indicado la presión como función del tiempo. (b) Calcular la intensidad de la onda y el nivel de intensidad en dicho punto. Umbral de percepción de intensidad I0 = 10-12 W·m-2; densidad del aire 1.27 kg.m-3. ω ω 2720 Cálculo de ω y k ω = 2π f = 2π ⋅ 432.9 = 865.8π rad/s = 2720 rad/s v= → k= = = 8 m -1 k v 340 p = pm cos(kx − ωt ) = 184 cos(8 x − 2720 t ) (mPa ) Representación gráfica en x = 2 m Valor rms de pm 184 p = 184 cos(16 − 2720 t ) (mPa ) prms = = = 130 mPa la presión 2 2 200 (130·10 ) 2 150 prms −3 2 I= I= = 3.91·10 −5 W/m 2 100 ρ ·c 1.27·340 50 I 3,91·10 −5 0 LI = 10 log = 10 log = 75.9 ≈ 76 dB I0 10 −12 -50 -100 -150 -200 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 t (s ) 8
  • 9. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 7 El nivel de intensidad de la sirena de un barco, percibido por un marinero en la cubierta a 10 metros de distancia de la misma, es de 70 dB. Determinar (a) el nivel de intensidad a 1 km de distancia; (b) la distancia a la cual la sirena dejará de ser audible; (c) la presión rms de la onda sonora a la distancia a la que la sirena deja de ser audible. Umbral de percepción de intensidad I0 = 10-12 W·m-2; densidad del aire 1.20 kg.m-3; velocidad del sonido 338 m/s. I1 Intensidad de la A 10 m de distancia (punto 1) LI 1 = 10 log = 70 dB I1 = 10 −12 ·107 = 10 −5 W·m -2 onda en cubierta I0 I2 ⎛ I I ⎞ I A 1 km de distancia (punto 2) LI 2 = 10 log LI 2 − LI 1 = 10 ⎜ log 2 − log 1 ⎟ = 10 log 2 = LI 2 − 70 ⎜ I0 ⎝ I0 I0 ⎟ ⎠ I1 La intensidad de las ondas sonoras es inversamente I 2 r12 10 2 10 2 proporcional al cuadrado de la = 2 = 3 2 = 6 = 10 − 4 LI 2 = 70 + 10 log 10 −4 = 70 − 40 = 30 dB distancia a la fuente (suponemos I1 r2 (10 ) 10 propagación isótropa) La distancia r0 a la que la sirena deja de ser I1 r02 = I1 10 −5 audible es aquella a la intensidad de la onda se r0 = r1 = 10 = 31600 m I 0 r12 I0 10 −12 hace igual al límite de percepción I0 = 10-12 W·m-2 Relación entre la 2 intensidad y la prms ( prms )0 = ρ ·c·I 0 Umbral de I= = 1.29·344·10 −12 = 2·10 −5 Pa presión = 20 µPa presión rms de la ρ ·c 9 onda sonora
  • 10. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 8 Una fuente sonora isótropa produce un nivel de intensidad de 65 dB a 1 m de distancia. Las condiciones ambientales son densidad del aire 1.27 kg.m-3 y velocidad del sonido 340 m/s. Calcular (a) la potencia emitida por la fuente; (b) el valor máximo de la presión de la onda sonora a 2 m de la fuente ¿Cuál es el valor rms correspondiente?. Umbral de percepción de intensidad I0 = 10-12 W·m-2. I1 I1 LI 1 = 10 log = 65 dB log = 6.5 I1 = 10 −12 ·106.5 = 10 −5.5 W·m -2 = 3.16·10 −6 W·m -2 Intensidad a 1 m de la fuente I0 I0 La intensidad a 1 m de la fuente es la & W = I1 ·4π r12 W& potencia emitida repartida sobre la I1 = 4π r12 & W = 4π · 3.16 · 10 −6 W = 4·10 −5 W superficie de una esfera de radio r1 = 1m. Para determinar la presión de la onda sonora calculamos la intensidad a r2 = 2 m de la fuente. La intensidad de las ondas sonoras es inversamente I 2 r12 r12 −5.5 1 2 10 −5.5 = I 2 = I1 2 = 10 = = 7.91·10 −7 W·m -2 proporcional al cuadrado I1 r22 r2 2 2 4 de la distancia a la fuente Relación entre la 2 intensidad y la pm I= ( pm )2 = 2 ρ ·c·I 2 = 2·1.27·340·7.91·10 −7 = 2.61·10 −2 Pa presión máxima 2 ρ ·c de la onda sonora En una función senoidal la relación pm 2.61·10 −2 Pa prms = = = 1.85·10 − 2 Pa entre valor máximo y valor rms es 2 2 10
  • 11. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 9. Un altavoz de forma semiesférica se ajusta para un nivel de intensidad de 40 dB a 10 m de distancia. (a) ¿Cuál es la intensidad en W·m-2 a esa distancia? (b) ¿Cuál es el nivel de intensidad a 2.5 m de distancia? (c) Suponiendo que el altavoz semiesférico es una fuente isótropa de sonido, ¿cuál es su potencia? (d) ¿Cuál es la presión rms a 20 m de distancia? Densidad del aire 1.29 kg.m-3; velocidad del sonido 344 m/s. Umbral de percepción de intensidad I0 = 10-12 W·m-2. I1 A r1 = 10 m de distancia (punto 1) LI 1 = 10 log = 40 dB I1 = 10 −12 ·10 4 = 10 −8 W·m -2 I0 Intensidad inversamente proporcional al cuadrado de la I 2 r12 = distancia a la fuente, por tanto para r2 = 2.5 m la intensidad es I1 r22 r12 −8 10 2 −7 I2 1.6·10 −7 I 2 = I1 2 = 10 = 1.6·10 W·m -2 LI 2 = 10 log = 10 log = 52 dB r2 2.52 I0 10 −12 3 La potencia emitida por el altavoz se distribuye uniformemente sobre una superficie semiesférica. Por lo tanto, tomando el dato de I1 y r1 tenemos que W& I1 = W = I1 ·2π r12 & & W = 10 −8 ·2π · 10 2 = 6.28·10 −6 W r3 2π r12 1 Para calcular la presión rms a 20 m hallamos primero la intensidad de la onda 2 I 3 r12 r12 10 2 r1 = 2 I 3 = I1 2 = 10 −8 2 = 2.5·10 −7 W·m -2 I1 r3 r3 20 r2 I = prms / (ρ ·c ) 2 prms = I ·ρ ·c = 2.5·10 −7 ·1.29·344 = 1.05·10 −2 Pa 11
  • 12. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 10. La ecuación de una onda transversal que se propaga por una cuerda viene dada por: y = 0.06 sin (0.40π x + 50π t ) (Unidades S.I.) Calcular: a) La frecuencia, el periodo, la longitud de onda y la velocidad de propagación. Ayuda b) La velocidad transversal en un punto cualquiera de la cuerda A− B ⎞ ⎛ A+ B ⎞ c) Admitiendo que esta onda se propaga a lo largo de una cuerda fija por sin A − sin B = 2 sin ⎛ ⎜ ⎟ cos⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ambos extremos, ¿cuál será la ecuación de la onda estacionaria resultante de la interferencia de la onda dada con la onda reflejada en el otro extremo y que se propaga en sentido contrario?. d) La distancia entre dos vientres consecutivos de la onda estacionaria ω = 50π rad/s a) Se trata de una onda viajera en el sentido negativo del eje X k = 0.40π m -1 ω = 2π f = 50π rad/s → f = ω 2π = 25 Hz → T = 1 f = 0.04 s k = 2π λ = 0.40π m -1 → λ = 2π 0.40π = 5 m ω 50π Velocidad de propagación c= = = 125 m/s k 0.40π b) La velocidad transversal en un punto cualquiera de la cuerda. d y ( x, t ) = 0.05 ⋅ 50π cos(0.40π x + 50π t ) = 2.5π cos(0.40π x + 50π t ) (m/s) dt 12
  • 13. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 10 (continuación) c) Admitiendo que esta onda se propaga a lo largo de una cuerda fija por ambos extremos, ¿cuál será la ecuación de la onda estacionaria resultante de Ayuda la interferencia de la onda dada con la onda reflejada en el otro extremo y ⎛ A− B ⎞ ⎛ A+ B ⎞ sin A − sin B = 2 sin ⎜ ⎟ cos⎜ ⎟ que se propaga en sentido contrario?. ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ d) La distancia entre dos vientres consecutivos de la onda estacionaria y2 ( x, t ) = −0.05 sin (k x − ω t ) Se invierte la fase c) La onda que se propaga en sentido contrario es de la onda reflejada La superposición de las dos, llamando y1(x,t) a la primera, es: 0.40π m -1 50π rad/s y1 ( x, t ) = 0.05 sin (k x + ω t ) = 0.05 sin k x cos ω t + 0.05 cos k x sin ω t y2 ( x, t ) = −0.05 sin (k x − ω t ) = −0.05 sin k x cos ω t + 0.05 cos k x sin ω t Suma: y1 ( x, t ) + y2 ( x, t ) = 0.10 cos k x ⋅ sin ω t y1 ( x, t ) + y2 ( x, t ) = 0.10 cos(0.40π x ) ⋅ sin (50π t ) Onda estacionaria A− B ⎞ ⎛ A+ B ⎞ Procedimiento alternativo: usando la relación trigonométrica sin A − sin B = 2 sin ⎛ ⎜ ⎟ ⋅ cos⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ y1 ( x, t ) = 0.05 sin (k x + ω t ) A = k x +ω t A − B = 2ω t y2 ( x, t ) = −0.05 sin (k x − ω t ) B = k x −ω t A + B = 2k x y1 ( x, t ) + y2 ( x, t ) = 0.05 sin (k x + ω t ) − 0.05 sin (k x − ω t ) = −0.10 cos k x ⋅ sin ω t y1 ( x, t ) + y2 ( x, t ) = 0.10 cos(0.40π x ) ⋅ sin (50π t ) d) La distancia entre dos vientres consecutivos de la onda estacionaria es igual que la distancia entre dos nodos consecutivos (puntos donde la amplitud es nula) Hay un nodo si cos(0.40π x ) = 0 0.40π x = (2n + 1) π / 2 (n entero) 2n + 1 Cuando n = 0 → x0 = 1.25 m Posiciones de los nodos xn = 0.80 Cuando n = 1 → x1 = 3.75 m 13 (Véase que es la mitad de la longitud Distancia entre vientres = distancia entre nodos = x1 − x0 = 2.5 m de onda de las ondas que interfieren)
  • 14. Problemas resueltos ondas y sonido PROBLEMA 11 La ecuación del segundo armónico de una onda estacionaria en una cuerda de 10 m de longitud sometida a una tensión de 50 N está dada por y ( x, t ) = 8 sin (0.2π x ) ⋅ sin (20π t ) x en m, y en cm, t en s a) Determinar la frecuencia y velocidad de propagación de las ondas viajeras cuya interferencia produce la onda estacionaria en esta cuerda y calcular la densidad lineal de masa. b) Escribir la ecuación de onda del término fundamental. Hallar la máxima velocidad de vibración de un punto de la cuerda en este modo, suponiendo que la amplitud máxima es igual que la del segundo armónico. c) Determinar las posiciones de los nodos del cuarto armónico. y (cm) 10 a) Parámetros de la onda k 2 = 0.2π m -1 ω2 = 20π rad ⋅ s -1 8 6 . estacionaria 2π 2π ω 20π 4 λ2 = = = 10 m f2 = 2 = = 10 Hz k 2 0.2π 2 2π 2π 0 ω2 20π T 50 -2 v= = = 100 m/s v= T µ= = 4 = 5 ⋅10 −3 kg/m -4 k2 0.2π µ v 2 10 -6 -8 x (m) b) Las frecuencias de todos los armónicos son ω2 -10 f n = n ⋅ f1 ω1 = = 10π rad ⋅ s -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . múltiplos enteros del término fundamental 2 λ 2L 2L Longitud de onda: L = n n λn = λ1 = = 20 m k1 = 2π / λ1 = 2π / 20 = 0.1π m -1 2 n 1 y1 ( x, t ) = 8 sin (0.1π x ) ⋅ sin (10π t ) x en m, y en cm, t en s vmax = y1 ( x, t )]max = 80π cm/s & 10 y (cm) 2L 2π2π λ4 = =5m = 0.4π m -1 8 c) Ecuación 4º armónico k4 = = λ4 6 4 5 ω4 = 4ω1 = 40π rad ⋅ s -1 4 2 Hay un nodo para cada valor x que verifica y4 ( x, t ) = 8 sin (0.4π x ) ⋅ sin (40π t ) 0 sin (0.4π x ) = 0 -2 -4 x en m, y en cm, t en s x1 = 0 x2 = 2.5 x3 = 5 x4 = 7.5 x5 = 10 (m) -6 -8 14 -10 x (m) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10