Physics For Scientists And Engineers 6E - part 128

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  126  127  128  129   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 128

 

 

Problems

509

what factor? This phenomenon led to the collapse of part
of  the  Nimitz  Freeway  in  Oakland,  California,  during  the
Loma Prieta earthquake of 1989.

Section 16.6 The Linear Wave Equation

43. (a)  Evaluate  in  the  scalar  equality  (7 # 3)4 ! A

(b)  Evaluate  A,  B,  and  C  in  the  vector  equality  7.00iˆ #
3.00kˆ Aiˆ jˆ . Explain  how  you  arrive  at  the  an-
swers  to  convince  a  student  who  thinks  that  you  cannot
solve  a  single  equation  for  three  different  unknowns.
(c) What If? The functional equality or identity

cos(Cx Dt ) ! (7.00 mm) cos(3# 4# 2)

is true for all values of the variables and t, which are mea-
sured in meters and in seconds, respectively. Evaluate the
constants A, B, C, D, and E. Explain how you arrive at the
answers.

44. Show that the wave function e

b(x"vt)

is a solution of the

linear wave equation (Eq. 16.27), where is a constant.
Show that the wave function ! ln[b(vt)] is a solution
to Equation 16.27, where is a constant.

46.

(a) Show that the function y(x, t) ! x

2

#

v

2

t

2

is a solution

to  the  wave  equation.  (b)  Show  that  the  function  in  part
(a) can be written as (vt) # g(vt), and determine
the functional forms for and g. (c) What If? Repeat parts
(a) and (b) for the function y(xt) ! sin(x)cos(vt).

Additional Problems

47. “The wave” is a particular type of pulse that can propagate

through a large crowd gathered at a sports arena to watch 
a soccer or American football match (Figure P16.47). The 
elements of the medium are the spectators, with zero posi-

45.

tion  corresponding  to  their  being  seated  and  maximum 
position  corresponding  to  their  standing  and  raising  their
arms. When a large fraction of the spectators participate in
the  wave  motion,  a  somewhat  stable  pulse  shape  can  de-
velop. The wave speed depends on people’s reaction time,
which is typically on the order of 0.1 s. Estimate the order of
magnitude,  in  minutes,  of  the  time  required  for  such  a
pulse  to  make  one  circuit  around  a  large  sports  stadium.
State  the  quantities  you  measure  or  estimate  and  their
values.

48. A  traveling  wave  propagates  according  to  the  expression

! (4.0 cm)  sin(2.0" 3.0t),  where  is  in  centimeters
and is in seconds. Determine (a) the amplitude, (b) the
wavelength, (c) the frequency, (d) the period, and (e) the
direction of travel of the wave.

The wave function for a traveling wave on a taut string

is (in SI units)

y(xt) ! (0.350 m) sin(10&"3&# &/4)

(a) What are the speed and direction of travel of the wave?
(b) What is the vertical position of an element of the string
at  ! 0,  ! 0.100 m?  (c)  What  are  the  wavelength  and
frequency of the wave? (d) What is the maximum magni-
tude of the transverse speed of the string?

50.

A transverse wave on a string is described by the equation

y(xt) ! (0.350 m) sin[(1.25 rad/m)# (99.6 rad/s)t]

Consider  the  element  of  the  string  at  ! 0.  (a)  What  is
the  time  interval  between  the  first  two  instants  when  this
element has a position of ! 0.175 m? (b) What distance
does the wave travel during this time interval?

51. Motion picture film is projected at 24.0 frames per second.

Each  frame  is  a  photograph  19.0 mm  high.  At  what  con-
stant speed does the film pass into the projector?

52.

Review problem. A block of mass M, supported by a string,
rests on an incline making an angle $ with the horizontal
(Fig. P16.52). The length of the string is L, and its mass is
// M.  Derive  an  expression  for  the  time  interval  re-
quired for a transverse wave to travel from one end of the
string to the other.

49.

Figure P16.47

Gregg Adams/Getty Images

M

mL

θ

Figure P16.52

53.

Review  problem. A  2.00-kg  block  hangs  from  a  rubber 
cord,  being  supported  so  that  the  cord  is  not  stretched. 
The  unstretched  length  of  the  cord  is  0.500 m,  and  its 
mass  is  5.00  g.  The  “spring  constant”  for  the  cord  is 
100 N/m.  The  block  is  released  and  stops  at  the  lowest

510

C H A P T E R   16 •  Wave Motion

point. (a) Determine the tension in the cord when the block
is at this lowest point. (b) What is the length of the cord in
this “stretched” position? (c) Find the speed of a transverse
wave in the cord if the block is held in this lowest position.

54.

Review problem. A block of mass hangs from a rubber
cord.  The  block  is  supported  so  that  the  cord  is  not
stretched. The unstretched length of the cord is L

0

and its

mass is m, much less than M. The “spring constant” for the
cord  is  k.  The  block  is  released  and  stops  at  the  lowest
point.  (a)  Determine  the  tension  in  the  string  when  the
block is at this lowest point. (b) What is the length of the
cord  in  this  “stretched”  position?  (c)  Find  the  speed  of  a
transverse wave in the cord if the block is held in this low-
est position.

55. (a) Determine the speed of transverse waves on a string un-

der a tension of 80.0 N if the string has a length of 2.00 m
and a mass of 5.00 g. (b) Calculate the power required to
generate these waves if they have a wavelength of 16.0 cm
and an amplitude of 4.00 cm.

56. A sinusoidal wave in a rope is described by the wave function

! (0.20 m) sin(0.75&# 18&t)

where and are in meters and is in seconds. The rope
has a linear mass density of 0.250 kg/m. If the tension in
the rope is provided by an arrangement like the one illus-
trated in Figure 16.12, what is the value of the suspended
mass?

57.

A block of mass 0.450 kg is attached to one end of a cord
of mass 0.003 20 kg; the other end of the cord is attached
to  a  fixed  point.  The  block  rotates  with  constant  angular
speed  in  a  circle  on  a  horizontal  frictionless  table.
Through what angle does the block rotate in the time that
a transverse wave takes to travel along the string from the
center of the circle to the block?

58.

A wire of density 0 is tapered so that its cross-sectional area
varies with according to

! (1.0 - 10

"

3

# 0.010) cm

2

(a) If the wire is subject to a tension T, derive a relation-
ship  for  the  speed  of  a  wave  as  a  function  of  position.
(b) What  If?  If  the  wire  is  aluminum  and  is  subject  to  a
tension of 24.0 N, determine the speed at the origin and at
! 10.0 m.
A rope of total mass and length is suspended vertically.
Show that a transverse pulse travels the length of the rope
in a time interval 

. (Suggestion: First find an ex-

pression for the wave speed at any point a distance from
the lower end by considering the tension in the rope as re-
sulting from the weight of the segment below that point.)

60.

If  an  object  of  mass  is  suspended  from  the  bottom  of
the rope in Problem 59, (a) show that the time interval for
a transverse pulse to travel the length of the rope is

What If? (b) Show that this reduces to the result of Prob-
lem  59  when  ! 0.  (c)  Show  that  for  // M,  the

,

! 2

  

L

mg

#

"

M

$

,

! 2

L/g

59.

expression in part (a) reduces to

It  is  stated  in  Problem  59  that  a  pulse  travels  from  the
bottom  to  the  top  of  a  hanging  rope  of  length  in
a time interval 

. Use this result to answer the

following  questions.  (It  is  not necessary  to  set  up
any new  integrations.)  (a)  How  long  does  it  take  for  a
pulse to travel halfway up the rope? Give your answer as
a fraction of the quantity 

. (b) A pulse starts travel-

ing up the rope. How far has it traveled after a time in-
terval 

?

62. Determine the speed and direction of propagation of each

of the following sinusoidal waves, assuming that and are
measured in meters and in seconds.

L/g

2

L/g

,

! 2

L/g

61.

,

!

mL

Mg

(a)

! 0.60 cos(3.0" 15# 2)

(b)

! 0.40 cos(3.0# 15" 2)

(c)

! 1.2 sin(15# 2.0x)

(d)

! 0.20 sin[12" (x/2) # &]

An aluminum wire is clamped at each end under zero ten-
sion  at  room  temperature.  The  tension  in  the  wire  is  in-
creased  by  reducing  the  temperature,  which  results  in  a
decrease  in  the  wire’s  equilibrium  length.  What  strain
(,L/L) results in a transverse wave speed of 100 m/s? Take
the  cross-sectional  area  of  the  wire  to  be  5.00 - 10

"

6

m

2

,

the density to be 2.70 - 10

3

kg/m

3

, and Young’s modulus

to be 7.00 - 10

10

N/m

2

.

64.

If a loop of chain is spun at high speed, it can roll along
the  ground  like  a  circular  hoop  without  slipping  or  col-
lapsing. Consider a chain of uniform linear mass density
+

whose  center  of  mass  travels  to  the  right  at  a  high

speed v

0

. (a) Determine the tension in the chain in terms

of + and v

0

. (b) If the loop rolls over a bump, the result-

ing deformation of the chain causes two transverse pulses
to propagate along the chain, one moving clockwise and
one  moving  counterclockwise.  What  is  the  speed  of  the
pulses traveling along the chain? (c) Through what angle
does each pulse travel during the time it takes the loop to
make one revolution?

65.

(a)  Show  that  the  speed  of  longitudinal  waves  along
a spring  of  force  constant  is 

,  where  is  the

unstretched length of the spring and + is the mass per unit
length.  (b)  A  spring  with  a  mass  of  0.400 kg  has  an
unstretched  length  of  2.00 m  and  a  force  constant  of
100 N/m. Using the result you obtained in (a), determine
the speed of longitudinal waves along this spring.

66.

A string of length consists of two sections. The left half
has mass per unit length + ! +

0

/2, while the right has a

mass  per  unit  length  +1 ! 3+ ! 3+

0

/2.  Tension  in  the

string  is  T

0

.  Notice  from  the  data  given  that  this  string

has  the  same  total  mass  as  a  uniform  string  of  length  L
and mass per unit length +

0

. (a) Find the speeds and

v1 at  which  transverse  pulses  travel  in  the  two  sections.
Express  the  speeds  in  terms  of  T

0

and  +

0

,  and  also  as

multiples  of  the  speed  v

0

!

(T

0

/+

0

)

1/2

.  (b)  Find  the

time interval required for a pulse to travel from one end

!

kL/+

63.

Answers to Quick Quizzes

511

of the string to the other. Give your result as a multiple
of ,t

0

!

L/v

0

.

67.

A pulse traveling along a string of linear mass density + is
described by the wave function

! [A

0

e

"

bx

] sin(kx " 't)

where  the  factor  in  brackets  before  the  sine  function  is
said to be the amplitude. (a) What is the power "(x) car-
ried by this wave at a point x? (b) What is the power car-
ried  by  this  wave  at  the  origin?  (c)  Compute  the  ratio
"

(x)/"(0).

68. An  earthquake  on  the  ocean  floor  in  the  Gulf  of  Alaska

produces  a  tsunami (sometimes  incorrectly  called  a  “tidal
wave”) that reaches Hilo, Hawaii, 4 450 km away, in a time
interval  of  9 h  30 min.  Tsunamis  have  enormous  wave-
lengths  (100  to  200 km),  and  the  propagation  speed  for
these waves is 

, where  is the average depth of the

water. From the information given, find the average wave
speed  and  the  average  ocean  depth  between  Alaska  and
Hawaii. (This method was used in 1856 to estimate the av-
erage  depth  of  the  Pacific  Ocean  long  before  soundings
were made to give a direct determination.)

69.

A string on a musical instrument is held under tension T
and extends from the point ! 0 to the point L. The
string  is  overwound  with  wire  in  such  a  way  that  its  mass
per unit length +(x) increases uniformly from +

0

at ! 0

to +

L

at L. (a) Find an expression for +(x) as a func-

tion of over the range 0 2 L. (b) Show that the time
interval required for a transverse pulse to travel the length
of the string is given by

,

!

2L

 

#

+

L

#

+

 

0

#

+

L

 

+

0

$

3

T

 

#

+

L

#

+

0

$

d

v

&

gd

Answers to Quick Quizzes

16.1 (b). It is longitudinal because the disturbance (the shift of

position  of  the  people)  is  parallel  to  the  direction  in
which the wave travels.

16.2 (a).  It  is  transverse  because  the  people  stand  up  and  sit

down (vertical motion), whereas the wave moves either to
the left or to the right.

16.3 (c). The wave speed is determined by the medium, so it is

unaffected by changing the frequency.

16.4 (b). Because the wave speed remains the same, the result

of doubling the frequency is that the wavelength is half as
large.

16.5 (d).  The  amplitude  of  a  wave  is  unrelated  to  the  wave

speed,  so  we  cannot  determine  the  new  amplitude  with-
out further information.

16.6 (c). With a larger amplitude, an element of the string has

more energy associated with its simple harmonic motion,
so  the  element  passes  through  the  equilibrium  position
with a higher maximum transverse speed.

16.7 Only answers (f) and (h) are correct. (a) and (b) affect the

transverse speed of a particle of the string, but not the wave
speed along the string. (c) and (d) change the amplitude.
(e)  and  (g)  increase  the  time  interval  by  decreasing  the
wave speed.

16.8 (d). Doubling the amplitude of the wave causes the power

to be larger by a factor of 4. In (a), halving the linear mass
density of the string causes the power to change by a fac-
tor of 0.71—the rate decreases. In (b), doubling the wave-
length  of  the  wave  halves  the  frequency  and  causes  the
power to change by a factor of 0.25—the rate decreases.
In  (c),  doubling  the  tension  in  the  string  changes  the
wave speed and causes the power to change by a factor of
1.4—not as large as in part (d).

Chapter 17

Sound Waves

C H A P T E R   O U T L I N E

17.1 Speed of Sound Waves

17.2 Periodic Sound Waves

17.3 Intensity of Periodic Sound

Waves

17.4 The Doppler Effect

17.5 Digital Sound Recording

17.6 Motion Picture Sound

512

Human ears have evolved to detect sound waves and interpret them as music or speech.

Some animals, such as this young bat-eared fox, have ears adapted for the detection of very
weak sounds. (Getty Images)

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  126  127  128  129   ..