Preguntas Conceptuales
16.1 Ondas en desplazamiento
Dé un ejemplo de onda transversal y otro de onda longitudinal, teniendo en cuenta las direcciones relativas de la alteración y de la propagación de la onda en cada uno de ellos.
Una onda transversal sinusoidal tiene una longitud de onda de 2,80 m. Una parte de la cuerda en una posición x tarda 0,10 s en pasar de una posición máxima de a la posición de equilibrio ¿Cuáles son el periodo, la frecuencia y la rapidez de onda?
¿Cuál es la diferencia entre la velocidad de propagación y la frecuencia de una onda mecánica? ¿Uno afecta la longitud de onda o lo hacen ambos? Si es así, ¿cómo?
Considera un resorte estirado, como un Slinky®. El resorte estirado puede soportar ondas longitudinales y transversales. ¿Cómo podría producir ondas transversales en el resorte? ¿Cómo podría producir ondas longitudinales en el resorte?
Considere una onda producida en un resorte estirado al sujetar un extremo y agitarlo hacia arriba y hacia abajo. ¿La longitud de onda depende de la distancia a la que mueva la mano hacia arriba y hacia abajo?
Se produce una onda transversal sinusoidal en un resorte estirado, que tiene un periodo (T). Cada sección del resorte se mueve perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda, en movimiento armónico simple con una amplitud (A). ¿Cada sección oscila con el mismo periodo que la onda o con un periodo diferente? Si la amplitud de la onda transversal se duplicara pero el periodo se mantuviera igual, ¿su respuesta sería la misma?
Una onda electromagnética, como la luz, no necesita un medio. ¿Se le ocurre algún ejemplo que apoye esta afirmación?
16.2 Matemáticas de las ondas
Si usted agita el extremo de un resorte estirado hacia arriba y hacia abajo 10 veces por segundo, ¿cuáles serían la frecuencia y el periodo de la onda sinusoidal producida en el resorte?
Si usted agita el extremo de un resorte estirado hacia arriba y hacia abajo con una frecuencia f, podría producir una onda transversal sinusoidal que se propaga por el resorte. ¿El número de onda depende de la frecuencia con la que se agita el resorte?
¿La velocidad vertical de un segmento de una cuerda horizontal estirada por la que se propaga una onda transversal sinusoidal depende de la rapidez de onda de la onda transversal?
En esta sección hemos considerado las ondas que se mueven a una rapidez de onda constante. ¿El medio se acelera?
Si deja caer un guijarro en un estanque puede observar que se producen varias ondulaciones concéntricas, no una sola ondulación. ¿Por qué cree que es así?
16.3 Rapidez de onda en una cuerda estirada
Si la tensión de una cuerda se multiplicara por cuatro, ¿en qué factor aumentaría la rapidez de onda de una onda en la cuerda?
¿Se mueve más rápido una onda sonora en agua de mar o en agua dulce si tanto el agua de mar como el agua dulce están a la misma temperatura y la onda sonora se mueve cerca de la superficie?
Las guitarras tienen cuerdas de diferente densidad lineal de masa. Si la cuerda de menor densidad y la de mayor densidad están a la misma tensión, ¿qué cuerda soportaría ondas con mayor rapidez de onda?
A continuación se muestran tres ondas que se enviaron por una cuerda en diferentes tiempos. La tensión de la cuerda permanece constante. (a) Ordene las ondas de menor a mayor longitud de onda. (b) Ordene las ondas de menor a mayor frecuencia.
A veces, se oye el zumbido de las líneas eléctricas conectadas por dos postes cuando el viento las hace oscilar. La rapidez de las ondas en las líneas eléctricas depende de la tensión. ¿Qué proporciona la tensión en las líneas eléctricas?
Se empalman dos cuerdas, una con baja densidad de masa y otra con alta densidad lineal. El extremo de mayor densidad se ata a un poste de laboratorio y un estudiante sostiene el extremo libre de la cuerda de baja densidad de masa. El estudiante da una vuelta a la cuerda y envía un pulso por las cuerdas. Si la tensión es la misma en ambas cuerdas, ¿el pulso se desplaza a la misma velocidad de la onda en ambas cuerdas? Si no es así, ¿dónde se desplaza más rápido, en la cuerda de baja densidad o en la de alta densidad?
16.4 La energía y la potencia de una onda
Considere una cuerda en tensión con una densidad lineal de masa constante. Una onda sinusoidal con una frecuencia angular y una amplitud producidas por alguna fuerza impulsora externa. Si la frecuencia de la fuerza impulsora se reduce a la mitad de la frecuencia original, ¿cómo se ve afectada la potencia promediada en el tiempo de la onda? Si la amplitud de la fuerza impulsora se reduce a la mitad, ¿cómo se ve afectada la potencia promediada en el tiempo? Explique su respuesta.
Las ondas acuáticas circulares disminuyen su amplitud a medida que se alejan del lugar donde se deja caer una roca. Explique por qué.
En una onda transversal en una cuerda, el movimiento de la cuerda es perpendicular al movimiento de la onda. Si esto es así, ¿cómo es posible mover la energía a lo largo de la cuerda?
La energía del sol calienta la parte de la Tierra orientada al sol durante las horas de luz. ¿Por qué los polos norte y sur son fríos mientras que el ecuador es bastante cálido?
La intensidad de una onda esférica disminuye a medida que la onda se aleja de la fuente. Si la intensidad de la onda en la fuente es ¿a qué distancia de la fuente disminuirá la intensidad en un factor de nueve?
16.5 Interferencia de ondas
Una onda sinusoidal incidente se envía a lo largo de una cuerda que está fijada a la pared con una rapidez de onda v. La onda se refleja en el extremo de la cuerda. Describa la onda reflejada.
Una cuerda de una longitud de 2,00 m con una densidad lineal de masa de está unida al extremo de una cuerda de 2,00 m de longitud con una densidad lineal de masa de El extremo libre de la cuerda de mayor densidad se fija a la pared, y un estudiante sujeta el extremo libre de la cuerda de menor densidad manteniendo la tensión constante en ambas cuerdas. El estudiante envía un pulso por la cuerda. Describa lo que ocurre en la interfase entre las dos cuerdas.
Dos estudiantes sostienen un resorte largo y apretado; cada uno sostiene un extremo. Cada estudiante da una vuelta al extremo y envía una longitud de onda de una onda sinusoidal por el resorte en direcciones opuestas. Cuando las ondas se juntan en el centro, ¿qué aspecto tiene la onda?
Muchos de los temas tratados en este capítulo son útiles más allá de los temas de ondas mecánicas. Es difícil concebir una onda mecánica con ángulos agudos, pero podría calcular una forma de onda de este tipo en su clase de electrónica digital, como se muestra a continuación. Puede tratarse de una señal procedente de un dispositivo conocido como convertidor analógico-digital, en el que una señal de voltaje continuo se convierte en una señal discreta o de una grabación digital de sonido. ¿Cuál es el resultado de la superposición de las dos señales?
Dos estudiantes sostienen una cuerda de densidad lineal de masa constante estirada; cada uno sostiene un extremo. La tensión de la cuerda es constante. Los agitan la cuerda y envían ondas a través de esta. (a) ¿Es posible que las ondas tengan diferentes velocidades de onda? (b) ¿Es posible que las ondas tengan diferentes frecuencias? (c) ¿Es posible que las ondas tengan diferentes longitudes de onda?
16.6 Ondas estacionarias y resonancia
Un fabricante de camiones descubre que un puntal del motor está fallando prematuramente. Un ingeniero de sonido determina que el puntal resuena a la frecuencia del motor y sospecha que este podría ser el problema. ¿Cuáles son las dos posibles características del puntal que se pueden modificar para corregir el problema?
¿Por qué los techos de gimnasios e iglesias parecen fallar más que los de las viviendas familiares cuando se produce un terremoto?
Puede poner las copas de vino en resonancia al humedecer y frotar el dedo alrededor del borde de la copa. ¿Por qué?
Los aparatos de aire acondicionado se colocan, a veces, en el techo de las casas de la ciudad. En ocasiones, los aparatos de aire acondicionado provocan un zumbido indeseable en los pisos superiores de las viviendas. ¿Por qué ocurre esto? ¿Qué se puede hacer para reducir el zumbido?
Considere una onda estacionaria modelada como ¿Hay un nodo o un antinodo en ¿Qué pasa con una onda estacionaria modelada como ¿Hay un nodo o un antinodo en la posición ?