Muelles y péndulos
- Masa en un muelle
- T = 2π·√(m/k)
- Péndulo
- T = 2π·√(L/g)
- Frecuencia angular
- ω = √(k/m) = 2π/T
- Velocidad y aceleración máximas
- vmax = A·ω, amax = A·ω²
- Energía
- E = ½·k·A²
Ondas y óptica: pack de repaso
Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 4 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.
1Fórmulas y métodos
Ondas, sonido y óptica
- Velocidad de la onda
- v = fλ, T = 1/f
- Cuerda
- v = √(T/μ), μ = m/L
- Nivel sonoro
- β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
- Fuente puntual
- I = P/(4πr²)
- Ondas estacionarias
- cuerda o tubo abierto fn = n·v/(2L); tubo cerrado fn = n·v/(4L), n impar
- Efecto Doppler
- f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
- Índice de refracción
- n = c/v, λ = λ0/n
- Ley de Snell
- n1sin θ1 = n2sin θ2
- Ángulo crítico
- sin θc = n2/n1
- Fibra óptica
- NA = sin θa = √(n1² − n2²)
- Lentes y espejos
- 1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
- Doble rendija
- d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
- Red de difracción
- d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
- Rendija simple
- a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
Método
- Identifica el tipo de problema: velocidad de las ondas, nivel sonoro, onda estacionaria, Doppler, refracción, lente o espejo, o interferencia.
- Escribe primero la relación: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) o n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
- Convierte las unidades: nm, mm y cm a m, y comprueba si los ángulos se miden desde la normal.
- Comprueba los signos y la plausibilidad: una imagen virtual tiene dᵢ < 0, una fuente que se acerca suena más aguda, un tubo cerrado solo tiene armónicos impares.
2Problemas de práctica
1.Muelles y péndulosMedia
Una masa de 1,7 kg unida a un muelle con k = 180 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 13 cm. Halla su velocidad v cuando está a 7 cm del equilibrio.
m = 1,7 kgk = 180 N/mA = 13 cmx = 7 cm
v = m/s
2.Muelles y péndulosDifícil
Una masa de 2,7 kg unida a un muelle con k = 360 N/m se separa 7 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.
m = 2,7 kgk = 360 N/mA = 7 cm
vmax = m/s
3.Ondas, sonido y ópticaMedia
Una fuente pequeña emite sonido por igual en todas las direcciones. El nivel es de 75 dB a 10 m de ella. Halla el nivel β2 a 30 m, ignorando la absorción y las reflexiones.
β1 = 75 dBr1 = 10 mr2 = 30 m
β2 = dB
4.Ondas, sonido y ópticaDifícil
Luz de longitud de onda 450 nm pasa por una rendija simple de 0,2 mm de anchura. Halla el ángulo θ2 de la franja oscura número 2 respecto de la dirección de paso directo.
λ = 450 nma = 0,2 mmm = 2
θ2 = °
3Disoluciones
1.Muelles y péndulos
Respuesta: v = 1,127 m/s
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Frecuencia angular
ω = √(180/1,7) = 10,29 rad/s
Velocidad en x
v = ω·√(A² − x²) = 10,29·√(0,13² − 0,07²) = 1,127 m/s
Respuesta
v = 1,127 m/s
2.Muelles y péndulos
Respuesta: vmax = 0,8083 m/s
Movimiento armónico simple: una masa m en un muelle de constante elástica k oscila con frecuencia angular ω = √(k/m) y periodo T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Un péndulo simple de longitud L tiene T = 2π·√(L/g). Con amplitud A, la velocidad máxima es A·ω, la aceleración máxima A·ω² y la energía ½·k·A².
Frecuencia angular
ω = √(360/2,7) = 11,55 rad/s
Velocidad máxima
vmax = A·ω = 0,07·11,55 = 0,8083 m/s
Respuesta
vmax = 0,8083 m/s
3.Ondas, sonido y óptica
Respuesta: β2 = 65,46 dB
Ondas: una onda periódica avanza una longitud de onda en un periodo, así que v = fλ con T = 1/f. En una cuerda tensa v = √(T/μ), con T la tensión y μ = m/L la masa por metro. El sonido en el aire viaja a unos 343 m/s a 20 °C, y la luz en el vacío a c = 3,00 × 10⁸ m/s. La sonoridad se mide en una escala logarítmica: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB con I₀ = 10⁻¹² W/m², así que una intensidad diez veces mayor suma 10 dB. Una fuente puntual reparte su potencia P sobre una esfera: I = P/(4πr²).
Razón de intensidades
I₂/I₁ = (10/30)² = 0,1111
Nuevo nivel
β₂ = 75 + 10·log₁₀(0,1111) = 65,46 dB
Respuesta
β2 = 65,46 dB
Cada vez que se duplica la distancia, el nivel baja unos 6 dB.
4.Ondas, sonido y óptica
Respuesta: θ2 = 0,2578 °
Interferencia y difracción: la luz de dos rendijas separadas una distancia d llega a un punto de la pantalla con una diferencia de camino d·sin θ. Las franjas brillantes aparecen donde d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Para una pantalla a una distancia L ≫ d, la m-ésima franja brillante está en y = mλL/d y la separación entre franjas es Δy = λL/d. Una red con N líneas por milímetro tiene d = 1/N y máximos nítidos en d·sin θ = mλ; como sin θ ≤ 1, el orden más alto es el mayor entero m ≤ d/λ. Una sola rendija de anchura a tiene franjas oscuras en a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …
Condición de la franja oscura
sin θ = mλ/a = 0,0045
θ = 0,2578°
Respuesta
θ2 = 0,2578°
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