Aplicación De Ecuaciones Diferenciales

APLICACIONES DE ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR

Movimiento Armónico Simple:

La Ley de Hooke:

Supongamos que un cuerpo de masa M esta sujeto al extremo de un resorte flexible suspendido de un soporte rígido (por ejemplo un techo), como se muestra en la figura 5.1b. Cuando M se reemplaza por un cuerpo diferente Mi, el alargamiento del resorte será, por supuesto, distinto.

Por la Ley de Hooke, el resorte mismo ejerce una fuerza de restitución F opuesta a la dirección del alargamiento y proporcional a su magnitud s. Dicho en términos simples, F = ks, en donde k es una constante de proporcionalidad. Aunque cuerpos de distinto peso producen distintos alargamientos del resorte, tal elemento elástico esta esencialmente caracterizado por él numero k. Por ejemplo, si un cuerpo que pesa 10lb. alarga el resorte en 1/2 pie, entonces,

10 = k (1/2) implica que k = 20 lb./pie.

Luego, necesariamente una masa que pesa 8 lb. alarga el mismo resorte en 2/5 pie.

Segunda Ley de Newton:

Después que una masa M se sujeta a un resorte, aquella lo alargara en una magnitud s y alcanzara la posición de equilibrio en la cual su peso W es equilibrado por la fuerza de restitución ks. El peso es definido por:

W = m . g

En donde la masa puede medirse en Kilogramos, gramos o geolibras (slugs) y g = 9.8 mt/s² , p80 cm/s² o 32pie/s², respectivamente. Tal como se indica la figura 5.2b,la condición de equilibrio es m.g = ks o bien m.g - ks = 0. Si ahora la masa se desplaza de su posición de equilibrio en una magnitud x y después se suelta, la fuerza neta F correspondiente a este caso dinámico está dada por la segunda ley del movimiento de Newton, F = ma, en donde a es la aceleración d²w/dt². Suponiendo que sobre el sistema no actúan fuerzas exteriores (movimiento vibratorio libre), entonces podemos igualar F a la resultante del peso y la fuerza de restitución:

m d²x/dt² = - k (s + x) + mg

= - kx + mg - ks = - kx

cero

Ecuación Diferencial Del Movimiento Libre no Amortiguado:

Dividiendo la ultima ecuación planteada entre la masa m, se obtiene la ecuación diferencial de segundo orden:

d²x/dt² + k/m x = 0

o bien d²x/dt² + ²x = 0

En donde ² = k/m. Se dice que la ecuación d²x/dt² + ²x = 0 describe el movimiento armónico simple o movimiento vibratorio no amortiguado. Hay dos condiciones iniciales obvias asociadas con dicha ecuación:

x(0) = , dx/dt% =

%t = 0

Que representa la magnitud del desplazamiento inicial y la velocidad inicial, respectivamente. Por ejemplo si > 0 y < 0, se trata de una masa que parte de un punto abajo de la posición de equilibrio y a la cual se ha comunicado una velocidad dirigida hacia arriba. Si < 0 y > 0, se trata de una masa en reposo que se suelta desde un punto que está % %unidades arriba de la posición de equilibrio. Los demás casos son análogos.

Solución y ecuación de movimiento:

Para resolver la ecuación d²x/dt² + ²x = 0 observemos que las soluciones de la ecuación auxiliar M² - w² = 0 son los números complejo M = i y Mi = - i. De esta forma se obtiene una solución general: x (t) = C1 cos t + C2 sen t.

El periodo de las vibraciones libres descritas por la ultima ecuación general planteada es T = 2 / y la frecuencia es = 1/T = /2 . Por ejemplo, para x (t) = 2 cos 3t - 4 sen 3t el periodo es 2 /3 y la frecuencia es 3/2 . El primer numero indica que hay 3 ciclos de la grafica de cada 2 unidades; en otras palabras, la masa realiza 3/2 oscilaciones completas por unidad de tiempo. Además, se puede demostrar que el periodo 2 / es el intervalo de tiempo entre dos máximos sucesivos de x(t). Finalmente, una vez que hemos determinado las constantes C1 y C2 en x (t) = C1 cos t + C2 sen t mediante las condiciones iniciales

x(0) = , dx/dt% =

%t = 0

, Decimos que la solución particular resultante es la ecuación de movimiento.

Ejemplo:

Resolver e interpretar el problema de valor inicial:

d²x/dt² + 16 x = 0

x(0) = 10, dx/dt% = 0

%t = 0

solución:

Una formulación equivalente del problema es: se estira hacia abajo de un cuerpo que pende de un resorte hasta que esté 10 unidades bajo la posición de equilibrio y luego se le retiene hasta t = 0; se le suelta a continuación de manera que parta de un estado de reposo. Aplicando las condiciones iniciales a la solución:

x (t) = C1 cos 4t + C2 sen 4t.

Resulta x (0) = 10 = C1 . 1 + C2 . 0

de modo que C1 = 10 y por lo tanto

x (t) = 10 cos 4t + C2 sen 4t.

dx/dt = 40 sen 4t + 4C2 cos 4t

dx/dt% = 0 = 4C2 . 1

%t = 0

La ultima ecuación implica que C = 0 y por lo tanto la ecuación de movimiento es x (t) = 10 cos 4t.

La solución muestra claramente que una vez que el sistema se pone en movimiento, permanece en tal estado, con la masa deslazándose alternadamente 10 unidades hacia cada lado de la posición de equilibrio x = 0. El periodo de oscilación es 2 /4 = /2 segundos.

Ejemplo:

Un cuerpo que pesa 2lb. se estira un resorte 6plg. Dicho cuerpo se suelta en t = 0 desde un punto que está 8plg bajo la posición de equilibrio, con una velocidad dirigida hacia arriba de 4/3 pie/seg. Determine la función x(t) que describe el movimiento libre resultante.

solución:

Puesto que estamos usando el sistema de unidades inglesas gravitatorias, las magnitudes dadas en pulgadas deben expresarse en pies: 6plg = 6/12 = 1/2 pie, 8plg = 8/12 = 2/3 pie. Además, debemos convertir las unidades de peso en unidades de masa. M = W/g

Tenemos M = 2/32 = 1/16slug; Además, por la Ley de Hooke se tiene: 2 - k (1/2) lo que implica que k = 4lb/pie.

Por consiguiente, se tiene: 1/16 d²x/dt² = -4x y d²x/dt² + 64x = 0.

El desplazamiento y la velocidad iniciales están dados por :

x(0) = 2/3, dx/dt% = - 4/3

%t = 0

En donde el signo negativo que aparece en la ultima condición en consecuencia de que a la masa se le da una velocidad inicial con dirección negativa, esto es, dirigida hacia arriba.

Ahora bien, ² = 64, osea = 8, de modo que la solución general de la ecuación diferencial es:

x (t) = C1 cos 8t + C2 sen 8t.

Aplicando las condiciones iniciales a esta ecuación tenemos que:

x (0) = 2/3 = C1 . 1 + C2 . 0 (C1 = 2/3)

x (t) = 2/3 cos 8t + 8C2 cos 8t

x´(t) = - 16/3 sen 8t + 8C2 cos 8t

x´(0) = - 4/3 = - 16/3 . 0 + 8C2 .1, (C = -1/6)

Luego C2 = - 1/6. Por consiguiente, la ecuación de movimiento es:

x (t) = 2/3 cos 8t - 1/6 sen 8t.

Movimiento Vibratorio Amortiguado:

El estudio del movimiento armónico libre es un tanto irreal puesto que el movimiento descrito por la ecuación - kx + mg - ks = - kx supone que no actúan fuerzas retardados sobre la masa en movimiento. A menos que la masa esté suspendida en un vacío perfecto, por lo menos habrá una fuerza opuesta debida al medio que la rodea. Por ejemplo, como muestra la figura 5.8, la masa m podría estar suspendida en un medio viscoso o conectada a un mecanismo de amortiguación.

Ecuación diferencial del movimiento con amortiguación:

En los estudios de mecánica se supone que las fuerzas de amortiguación que actúan sobre un cuerpo son proporcionales a una potencia de la velocidad instantánea. En particular, supondremos en el estudio que sigue que esta Fuerza está dad por un múltiplo constante de dx/dt. Cuando no actúan otras fuerzas exteriores sobre el sistema, se tiene, por la segunda ley de Newton, que:

m d²x/dt² = -kx - dx/dt

En donde es una constante de amortiguación positiva y el signo negativo se debe a que la fuerza amortiguadora actúa en dirección opuesta al movimiento.

Dividiendo m d²x/dt² = -kx - dx/dt entre la masa m se obtiene la ecuación diferencial del movimiento vibratorio amortiguado libre.

d²x/dt² + dx/ m dt +(k/m)x = 0

o bien d²x/dt² + 2 dx/dt + ²x =0

En la ecuación d²x/dt² + dx/ m dt +(k/m)x = 0 identificamos 2 = /m, ² = k/m.

El símbolo 2 se usa sólo por conveniencia algebraica ya que la ecuación auxiliar es m² + 2 m + ² = 0 y por lo tanto las correspondientes raíces son:

m1 = - + "( ² - ²), m2 = - - "( ² - ²).

Según el signo algebraico de ² - ², podemos distinguir tres casos posibles. Puesto que cada solución contendrá el factor de amortiguación e ,siendo > 0, los desplazamientos de la masase volverán insignificantes para valores grandes del tiempo.

Caso I:

² - ² > 0. En esta situación decimos que el sistema está sobreamortiguado, puesto que el coeficiente de amortiguación es grande comparado con la constante k del resorte. La correspondiente solución de d²x/dt² + 2 dx/dt + ²x =0 es x(t) = C1e + C2e

o bien:

x(t) = e (C1e + C2e ).

Caso II:

² - ² = 0. Decimos que el sistema está críticamente amortiguado ya que una pequeña disminución de la fuerza de amortiguación produciría un movimiento oscilatorio. La solución general será:

x(t) = e (C1 + C2t)

Caso III:

² - ² < 0.En este caso se dice que el sistema está subamortiguado, ya que el coeficiente de amortiguación es pequeño comparado con la constante del resorte. Las raíces m1 y m2 son ahora complejas. m = - + "( ² - ²)i m = - - "( ² - ²)i

y por lo tanto la solución general es:

x(t) = e [C1 cos "( ² - ²)t + C2 sen "( ² - ²)t]

Ejemplo:

Un cuerpo que pesa 8lb. estira un resorte 2 pie. Suponiendo que una fuerza de amortiguación numéricamente igual a dos veces la velocidad instantánea actúa sobre el sistema y que el peso se suelta desde la posición de equilibrio con una velocidad dirigida hacia arriba de 3pie/s, determinar la ecuación del movimiento.

solución:

Por la ley de Hooke tenemos:

8 = k (2), k = 4lb/pie

y por m = W/g

m = 8/32 = 1/4slug.

En consecuencia, la ecuación diferencial del movimiento es:

1/4 d²x/dt² = - 4x - 2 dx/dy ó bien d²x/dt² + 8 dx/dt + 16x = 0

Las condiciones iniciales son:

x(0) = 0, dx/dt% = - 3

%t = 0

Ahora bien, la ecuación auxiliar de d²x/dt² + 8 dx/dt + 16x = 0 es:

m² + 8m + 16 = (m + 4)² = 0

De modo que m1 y m2 = - 4. Por lo tanto, el sistema está críticamente amortiguado y: x(t) = - 3te es la ecuación de movimiento.

Movimiento Vibratorio forzado con amortiguación:

Supongamos que se considera una fuerza (t) que actúa sobre una masa oscilante sujeta aun resorte. Por ejemplo, (t) podría representar una fuerza impulsora que causa un movimiento oscilatorio vertical del soporte del resorte. Al incluir (t) en la formulación de la segunda Ley de Newton resulta:

m d²x/dt² = -kx - dx/dt + (t).

[d²x/dt² + dx / m dt + (k / m) x = (t) / m] = d²x/dt² + 2 dx/dt + ²x = F(t)

En donde F(t) = (t)/m y, 2 = /m, ² = k/m. Para resolver la ultima ecuación no homogénea podemos usar indistintamente el método de variación de parámetros o el de los coeficientes indeterminados.

Ejemplo:

Interpretar y resolver el siguiente problema de valor inicial

1/5 d²x/dt² + 1.2 dx/dt + 2x = 5 cos 4t

x(0) = 1/2, dx/dt% = 0.

%t = 0

solucion:

Podemos interpretar el problema como una representación de un sistema oscilatorio que consiste en una masa (m = 1/5 Kg) sujeta a un resorte (k = 2 N/m). La masa se suelta, a partir del reposo, desde un punto que está 1/2 unidad (metro) bajo la posición de equilibrio: El movimiento es amortiguado ( = 1.2) y es impulsado por una fuerza externa periódica(T = / 2 segundos) a partir del instante t = 0. Intuitivamente, esperamos que aun con amortiguación el sistema se mantenga en movimiento hasta que el instante en que la función forzante se “corte”, en cuyo caso las amplitudes disminuirían gradualmente. Sin embargo, por la forma en que el problema está dado, se tiene (t) = 5 cos 4t permanecerá “en acción” indefinidamente.

Primero multiplicamos 1/5 d²x/dt² + 1.2 dx/dt + 2x = 5 cos 4t por 5 y resolvemos la ecuación homogénea d²x/dt² + 6 dx/dt + 10x = 0 Por los métodos usuales.

Como m1 = - 3 + i, m2 = - 3 - i se tiene que:

xc(t) = e (C1 cos t + C2 sen t).

Usando el método de los coeficientes indeterminados, postulamos una solución particular de la forma xp (t) = A cos 4t + B sen 4t. En tal caso:

xp´ = - 4A sen 4t + 4B cos 4t.

xp´ ´ = - 16A cos 4t - 16B sen 4t.

De modo que xp´ ´ + 6 xp´ + 10 xp = - 16A cos 4t-16B sen 4t - 24ª sen 4t

= 24B cos 4t + 10A cos 4t + 10B sen 4t

= (- 6 A + 24B) cos 4t + ( -24A - 6B) sen 4t

= 25 cos 4t

Del sistema de ecuaciones que resulta -6A +24B = 25 y - 24A -6B = 0 da A = -25/102 y B = 50/51. Se tiene pues:

x(t) = e ( C1 cos t + C2 sen t ) - 25/102 cos 4t + 50/51 sen 4t

Si en la ecuación anterior hacemos t = 0 inmediatamente resulta C1 = 38/51. Derivando la expresión y haciendo t = 0 encontramos que C2 = - 86/51. Por lo tanto, la ecuación del movimiento es:

x(t) = e ( 38/51 cos t - 86/51 sen t ) - 25/102 cos 4t + 50/51 sen 4t

Términos transitorios y estacionario:

Nótese que la función complementaria x(t) = e ( 38/51 cos t - 86/51 sen t) - 25/102 cos 4t + 50/51 sen 4t del ejemplo precedente tiene la propiedad de que lim xc(t) = 0.

t!"

Puesto que xc(t) se vuelve insignificante ( es decir tiende a 0) cuando t!", se dice que es un termino transitorio o una solución transitoria. Así, para valores grandes del tiempo, los desplazamientos del cuerpo se aproximan estrechamente por la solución particular x (t). A esta ultima función también se la llama solución estacionaria (o de estado permanente). Cuando F es función periódica como F(t) = Fo sen t o bien F(t) = Fo cos t. la solución general consiste en:

x(t) = termino transitorio + termino estacionario.

Sin Amortiguación:

En ausencia de una fuerza de amortiguación, no habrá termino transitorio en la solución de un problema. Además veremos que la aplicación de una fuerza periódica de frecuencia cercana, o igual, a la frecuencia de las oscilaciones libres no amortiguadas puede causar un problema serio en cualquier sistema mecánico oscilatorio.

Circuito Eléctrico RLC

Supongamos que tenemos un circuito el´ectrico formado por un resistor de resistencia

(ohms),un inductor de inductancia L(henrios) y un capacitor de apacitanciaC faradios), conectadosen serie a una fuente de fuerza electromotriz E ( t) (voltios). Determinar la ecuaci´on diferencial quedescriba el comportamiento de la corriente I (t) (amperes) en el circuito.Si el interruptor est´a abierto, entonces, no pasa nada. Cuando el interruptor se cierra (encendi-do), las diferencias en el potencial el´ectrico causan que fluya corriente en el circuito. La bater´ıa ogenerador en la figura (3.3) crea una diferencia de potencial el´ectrico E (t) entre sus dos terminales,que etiquetamos arbitrariamente como positiva y negativa. Decimos que E ( t )>0 si el potencial enla terminal positiva es mayor que el potencial en la terminal negativa, E ( t )<0 si el potencial en laterminal positiva es menor que en la terminal negativa y E (t) = 0 si el potencial es el mismo en lasdos terminales. Usualmente aE (t) se le llamafuerza electromotriz .Circuito RLC.Para cualquier tiempotdado, en cada uno de los puntos del circuito fluye lamisma corrienteI ( t ), y decimos que I ( t )>0 si el flujo circula alrededor del circuito, de la terminal positiva de labater´ıa o generador hacia la terminal negativa, I ( t ) < 0 es el flujo en el sentido opuesto, e I (t) = 0significa que no fluye corriente.

...