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Supuesto 32

Madrid 2025 ·

Enunciado

Una cuerda está vibrando en un modo estacionario según la siguiente expresión y=(0,2 m) sen(3πx)cos⁡(40πt)y = (0{,}2\ \mathrm{m})\,\mathrm{sen}(3\pi x)\cos(40\pi t), con xx en metros y tt en segundos. La cuerda está localizada entre las posiciones x=0 mx = 0\ \mathrm{m} y x=1 mx = 1\ \mathrm{m}.

  • a) Calcula la amplitud, el número de onda, la frecuencia angular, la longitud de onda, el periodo y la frecuencia de la onda. (4 puntos)
  • b) Demuestra que las condiciones de contorno corresponden a una onda estacionaria y explica tus resultados. (3 puntos)
  • c) Dibuja una gráfica cualitativa de la onda, yy frente a xx, en un cierto instante. ¿Cuántos nodos y vientres (antinodos) muestra esta onda estacionaria? (3 puntos)

Solución

a) Magnitudes características

Comparando con la forma canónica y=A sen(kx)cos⁡(ωt)y = A\,\mathrm{sen}(kx)\cos(\omega t):

| Magnitud | Expresión | Valor | | --------------------------- | ------------------ | --------------------------------------- | | Amplitud de la estacionaria | AA | 0,20 m0{,}20\ \mathrm{m} | | Número de onda | kk | 3π=9,42 rad m−13\pi = 9{,}42\ \mathrm{rad\,m^{-1}} | | Frecuencia angular | ω\omega | 40π=125,7 rad s−140\pi = 125{,}7\ \mathrm{rad\,s^{-1}} | | Longitud de onda | λ=2π/k\lambda = 2\pi/k | 2/3=0,667 m2/3 = 0{,}667\ \mathrm{m} | | Periodo | T=2π/ωT = 2\pi/\omega | 0,050 s0{,}050\ \mathrm{s} | | Frecuencia | f=1/Tf = 1/T | 20 Hz20\ \mathrm{Hz} |

La velocidad de las ondas viajeras que la componen es v=ω/k=40π/3π=13,3 m s−1v = \omega/k = 40\pi/3\pi = 13{,}3\ \mathrm{m\,s^{-1}}. Conviene precisar que 0,20 m0{,}20\ \mathrm{m} es la amplitud máxima (la de los vientres): la onda estacionaria resulta de superponer dos ondas progresivas de sentidos opuestos y amplitud 0,10 m0{,}10\ \mathrm{m} cada una, ya que

0,10 sen(kx−ωt)+0,10 sen(kx+ωt)=0,20 sen(kx)cos⁡(ωt)0{,}10\,\mathrm{sen}(kx-\omega t) + 0{,}10\,\mathrm{sen}(kx+\omega t) = 0{,}20\,\mathrm{sen}(kx)\cos(\omega t)

b) Condiciones de contorno

Una cuerda fija por ambos extremos exige y(0,t)=y(L,t)=0y(0,t) = y(L,t) = 0 para todo instante. Se comprueba:

y(0,t)=0,20 sen(0)cos⁡(40πt)=0∀ty(0,t) = 0{,}20\,\mathrm{sen}(0)\cos(40\pi t) = 0 \quad \forall t y(1,t)=0,20 sen(3π)cos⁡(40πt)=0∀ty(1,t) = 0{,}20\,\mathrm{sen}(3\pi)\cos(40\pi t) = 0 \quad \forall t

Ambos extremos son nodos permanentes, lo que caracteriza a una onda estacionaria: los puntos de la cuerda no se propagan, sino que oscilan en fase con amplitudes fijas 0,20 sen(3πx)0{,}20\,\mathrm{sen}(3\pi x) que dependen solo de la posición. La condición general de cuantización es

L=nλ2  ⟹  1=n⋅13  ⟹  n=3L = n\frac{\lambda}{2} \;\Longrightarrow\; 1 = n\cdot\frac{1}{3} \;\Longrightarrow\; n = 3

Se trata, por tanto, del tercer armónico (segundo sobretono) de la cuerda, cuya frecuencia fundamental es f1=f3/3=6,67 Hzf_1 = f_3/3 = 6{,}67\ \mathrm{Hz}.

c) Gráfica, nodos y vientres

Problema 5

Tercer armónico: y frente a x en un instante de máxima elongación

Perfil de la onda estacionaria

Curva sinusoidal con tres semiondas entre x igual a 0 y x igual a 1 metro: máximo positivo, máximo negativo y máximo positivo, con cuatro nodos y tres vientres.

N

N

N

N

V

V

V

0

1/3

2/3

1

+0,2

−0,2

x (m)

Nodos (N) en x = 0; 1/3; 2/3 y 1 m — cuatro en total. Vientres (V) en x = 1/6; 1/2 y 5/6 m — tres en total. La línea discontinua es la envolvente ±0,20 m.

Los nodos son los puntos donde sen(3πx)=0\mathrm{sen}(3\pi x) = 0, es decir 3πx=mπ3\pi x = m\pi con x=m/3x = m/3 dentro del intervalo [0,1][0,1]: x=0; 1/3; 2/3; 1 mx = 0;\ 1/3;\ 2/3;\ 1\ \mathrm{m}, cuatro nodos. Los vientres cumplen ∣sen(3πx)∣=1|\mathrm{sen}(3\pi x)| = 1, esto es x=1/6; 1/2; 5/6 mx = 1/6;\ 1/2;\ 5/6\ \mathrm{m}, tres vientres. La regla general para el armónico nn es n+1n+1 nodos y nn vientres, que aquí con n=3n = 3 da los cuatro y tres obtenidos. Nótese que dos nodos consecutivos distan λ/2=1/3 m\lambda/2 = 1/3\ \mathrm{m}, y que un nodo y el vientre contiguo distan λ/4=1/6 m\lambda/4 = 1/6\ \mathrm{m}.

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