Enunciado
Física - Fundamentos de Física Volume 2 - Gravitação, Ondas e Termodinâmica - 10ª Edição - David Halliday, Jearl Walker e Robert Resnick- Ed: 10º - Capítulo 16.Problemas Adicionais - Ex. 96
Considere um segmento entre dois nós de uma onda estacionária criada por duas ondas, com uma amplitude de e uma frequência de , que se propagam em sentidos opostos em uma corda com de comprimento e de massa, submetida a uma tração de . A que taxa a energia entra no segmento (a) vindo de um lado da corda e (b) vindo dos dois lados da corda? (c) Qual é a energia cinética máxima da corda no segmento durante as oscilações?
Passo 1
(a) Quando pensamos na taxa em que a energia entra no segmento, estamos necessariamente pensando na potência transmitida pela onda.
Onde é a densidade linear da corda, é a velocidade de propagação da onda, é a frequência angular e é a amplitude.
Já temos todos os valores para calcular essa potência, só precisamos nos lembrar de uma relação para a velocidade de propagação:
E a densidade linear será dada pela razão entre a massa e o comprimento da corda.
Passo 2
(b) Se a onda vem dos dois lados da corda, então a potência transmitida será dobrada:
Passo 3
(c) Vamos lembrar da fórmula para a taxa com a qual a energia cinética é transportada por uma onda na corda:
Mas essa é apenas a taxa instantânea de transporte energia cinética em um segmento da corda.
Podemos integrar essa função ao longo de um período para obter a energia máxima do segmento durante as oscilações:
Onde tomamos o dobro da energia para levar em conta a presença de duas ondas no segmento. Vamos resolver essa integral:
E sabemos que, para resolver a integral do quadrado do cosseno precisamos fazer uma substituição:
Então, para a energia máxima, teremos:
E sabemos que , então:
E também sabemos que , então quase todos os termos dentro dos cholchetes se cancelam:
Passo 4
Agora podemos reescrever essa última expressão em termos de :
Onde . Então:
Resposta
(a) .
(b) .
(c) .