FICHA C4-P03

Los armónicos de una tubería cerrada

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TipoPrincipal PaperPaper 1 Dificultad Puntos6 pts · 1/6 (MC oficial) Tiempo máx.12 min Media8 min Si no sabes la teoría+15 min Origen preguntaExamen oficial Verificación soluciónMarkscheme oficial De fuente real
Material necesario — Cuadernillo de datos: no aplica en el cálculo directo, pero conviene tener a mano el esquema de armónicos de un tubo cerrado.
Prerrequisitos
  • En un tubo con un extremo cerrado, el extremo cerrado es siempre un nodo y el extremo abierto es siempre un antinodo
  • Un tubo cerrado en un extremo SOLO soporta armónicos IMPARES: f1 (1º), 3f1 (3º), 5f1 (5º), 7f1 (7º)...
  • Entre dos armónicos consecutivos de un tubo cerrado (por ejemplo el 3º y el 5º), la diferencia de frecuencia es siempre 2f1 — nunca f1, como ocurriría en un tubo abierto por los dos extremos

Se genera una onda estacionaria en una tubería con un extremo cerrado. Un armónico de la onda estacionaria tiene una frecuencia de 180 Hz y el siguiente armónico (el inmediatamente superior presente en el tubo) tiene una frecuencia de 300 Hz. f (armónico A) = 180 Hz f (armónico siguiente, B) = 300 Hz

a Explica por qué un tubo cerrado en un extremo solo puede vibrar con armónicos impares. [2]
b Determina la diferencia de frecuencia entre dos armónicos consecutivos de este tubo, en función de f1 (la frecuencia del primer armónico). [1]
c Calcula la frecuencia del primer armónico f1 de esta onda estacionaria. [2]
d Identifica qué número de armónico corresponde a 180 Hz y cuál corresponde a 300 Hz. [1]
Pistas progresivas
Teoría básica
  • Tubo cerrado en un extremo: nodo en el extremo cerrado, antinodo en el extremo abierto. Solo soporta armónicos impares: f1, 3f1, 5f1, 7f1... — Cuadernillo de datos, Tema C.4.
  • Diferencia entre armónicos consecutivos de un tubo cerrado: siempre 2f1 (nunca f1, a diferencia de un tubo abierto por los dos extremos o de una cuerda).
  • Estrategia general: si conoces dos frecuencias de armónicos consecutivos de un tubo cerrado, su diferencia te da 2f1 directamente, sin necesitar saber de antemano qué número de armónico es cada una.
Refuerzo
Libro — Oxford Physics 2023 — Topic C.4 Standing waves and resonance, armónicos de tubos cerrados.
Cuadernillo — No aplica en este problema — razonamiento con la serie de armónicos impares.
Vídeo — ↗ — «»
Apartado a) — Un tubo cerrado exige nodo en el extremo cerrado y antinodo en el abierto simultáneamente; solo los armónicos impares (f1, 3f1, 5f1...) cumplen esa combinación.
Apartado b) — La diferencia entre armónicos consecutivos es siempre 2f1.
Apartado c) — 2f1 = 300 − 180 = 120 Hz → f1 = 60 Hz.
Apartado d) — 180 Hz = 3f1 (3er armónico); 300 Hz = 5f1 (5º armónico).
Variantes de este problema

Problemas de prueba generados a partir de esta ficha — mismo prerrequisito y habilidad, enunciado distinto. Sirven para comprobar si lo que marcaste aquí está realmente dominado.