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2 EDOs Parte 2 Sem 6 Orden N Chavez
2 EDOs Parte 2 Sem 6 Orden N Chavez
2 EDOs Parte 2 Sem 6 Orden N Chavez
Según se conoce, especialmente de la física, la ecuación diferencial que los rige es dada por:
d2 y dy
m +C +ky=F ( t ) o '' '
m y +C y +ky=F ( t )
dt 2
dt
w
donde: m= , w=¿ peso , g=¿gravedad ; m=¿ masa
g
OBSERVACIÓN. Se mostrarán aplicaciones de las EDO Lineales con coeficientes constantes. Estas
ecuaciones con mayor importancia son aplicadas en el estudio de sistemas mecánicos de
vibraciones y en los circuitos eléctricos, aunque también existen otras aplicaciones de interés
que pueden ser tratadas a través de ejemplos típicos.
Este es un sistema, el más simple que consiste en un resorte elástico común suspendido
verticalmente en un soporte fijo, como se muestra en la figura (a).
yo+y
Resorte sin estirar y
En el extremo inferior del resorte se sujeta un cuerpo de masa “m ” y el resorte se alarga hasta
una longitud “ y 0”, parte (b) de la figura. La masa del cuerpo es despreciada.
Si tiramos del cuerpo hacia abajo una distancia “ y ” y luego se le suelta, en dirección vertical el
cuerpo realiza un movimiento vibratorio alrededor de la posición vertical de equilibrio.
Se pueden considerar como positivas las fuerzas que actúan hacia abajo y como negativas a las
que actúan hacia arriba.
El objetivo de este sistema consiste en estudiar el movimiento del sistema en este caso y casos
similares; con este fin se consideran las fuerzas que actúan sobre el cuerpo durante su
movimiento, esto nos lleva a una ecuación diferencial que al resolverla se obtiene el
desplazamiento “ y ” como una función del tiempo “t ”.
Como es obvio la fuerza inmediata que actúa sobre el cuerpo es la gravedad, es decir: F 1=mg .
Nota. La fuerza que tiende a retornar el cuerpo a su posición de equilibrio, llamada “Fuerza de
reposición”, conocida como la “Ley de Hooke” y es dada por: F=−ky ,
La fuerza de reposición en el sistema con desplazamiento y hacia abajo, parte (c) de la figura, es
dada por:
F 2=−k ( y 0+ y) ó F 2=−k y 0−ky
2 2 2
d y d y wd y
m =−ky ; m + ky=0 ; + ky=0
dt
2
dt
2
g dt2
d 2 y kg
También: 2
+ y =0
dt w
2 kg
Su ecuación característica será: r + =0
w
EJEMPLO 1. Se cuelga un peso de 1 Kg del extremo inferior de un resorte que está fijo en una
viga. El resorte se estira 38,25 mm. Si además se tira del peso hacia abajo 75 mm por debajo de
su posición de equilibrio y se suelta, se pide:
π
iv) Hallar la posición, velocidad y aceleración segundos después de haberlo soltado.
64
Solución.
2
g=9,8 m/s .
La magnitud de la fuerza de reposición, según la Ley de Hooke, es dada por: ¿ F∨¿ k ∨ y 0∨¿
1=k∨0,03825∨¿, entonces k =26,14 .
2 2
1 d y d y
+26,14 y=0 o +256 y=0
9,8 d t 2 d t2
Al tirar el peso hacia abajo y=75 mm, cuando t=0 ó y=0,075 m cuando t=0
dy
Cuando se suelta el peso, la velocidad inicial es de 0 cuando t=0 , o que =0, cuando t=0
dt
2
d y
2
+256 y=0 ; y ( 0 )=0,075 ; y ' ( 0 )=0
dt
2
Para resolver, la ecuación característica asociada es: r +256=0,
y=0,075cos ( 16 t )
Derivando v respecto a “t ” se obtiene la aceleración, que será: a ( t )=v ' =−19,2cos (16 t)
iii) En la función posición y=0,075cos (16 t) el número A=0,075 que es el mayor valor de “ y ”
y se llama AMPLITUD DEL MOVIMIENTO.
1 8
La frecuencia (número de ciclos por unidad de tiempo) es dad por: n= ó n=
T π
π
iv) Para un tiempo de t= =0,05 segundos se tiene:
64
y=0,075cos 16
[ ( )] π
64
, entonces: y=0,075 metros.
'
a ( t )=v =−19,2cos ¿ entonces: 2
a=−13,6 m/s .
0.06
0.04
0.02
-0.04
-0.06
i) La constante de un resorte suspendido del techo es 18 Kg/m. se cuelga del resorte un peso de
3,68 Kg y cuando se alcanza el equilibrio, se levante el peso 128 mm por sobre la posición de
equilibrio y se le suelta. Descríbase el movimiento indicando la amplitud, el periodo y la
frecuencia.
ii) Cuando cierto peso es colocado en el extremo de un resorte vertical se hace vibrar un periodo
de 1,5 segundos, al añadirse 3,68 Kg, el periodo se convierte en 2,5 segundos. ¿Cuál era el peso
colocado originalmente en el resorte?
Debemos entonces considerar una “Fuerza Amortiguadora” que sumada al sistema lo haga más
real; esta fuerza depende de muchos factores y no hay ley exacta que la determine, pero
dy
experimentalmente para velocidades pequeñas es dada por: F 3=−C
dt
Resorte sin estirar Sistema con peso en Sistema con peso en Sistema con un
equilibrio estático movimiento amortiguador
yo
yo+y
Resorte sin estirar y
dy
La resultante de las fuerzas F 1 , F 2 y F 3 en este sistema es: F=F 1+ F 2+ F3 = −ky −C
dt
d2 y dy d2 y dy
m =−ky−C o m +C +ky=0
dt 2
dt dt 2
dt
2
d y C dy k C k
También se puede escribir como: + + y=0 o y' '+ y '+ y=0
d t m dt m
2
m y
2 C k
La ecuación característica asociada será: r + r + =0
m m
−C √ C −4 mk
2
Las soluciones serán: r 1 ; 2= ±
2m 2m
r t r t
y= A e + B e ,
1 2
CASO II. SUB–AMORTIGUAMIENTO. Si C 2−4 mk< 0, entonces las raíces son números complejos
−C √ C −4 mk
2
conjugados y el movimiento se denomina r 1 ;2= ± , y el movimiento se denomina
2m 2m
, b= √
−C C 2−4 mk
“vibración sub-amortiguada” y la solución general se obtiene haciendo: a=
2m 2m
, esta queda:
A
donde C 2=A 2 + B2 y Tag ( θ )= .
B
−at
Dado que Sen(bt + θ) varía entre –1 y 1, la curva de la solución está entre las curvas y 1=C e ,
−at
y 2=−C e ; y por lo tanto se asemeja a la curva del Seno con amplitud variable decreciente.
¿
Como el movimiento no es realmente periódico, podemos definir un “cuasi – periodo” T =2 π /b
como el tiempo entre máximas sucesiones del desplazamiento. Debemos observar que la
frecuencia disminuye debido a que la oposición al movimiento aumento el tiempo necesario
para realizar un ciclo completo. El ángulo θ es a menudo llamado “ángulo de fase”.
CASO III. AMORTIGUAMIENTO CRÍTICO. Si C 2−4 mk=0 , entonces las raíces son dos números
−C
reales iguales: r 1=r 2= ; y el movimiento se denomina “vibración con amortiguamiento
2m
−C
crítico” y la solución general se obtiene haciendo r = ,
2m
Solución.
29,4 d 2 y dy d2 y dy
Reemplazando los datos: +18 +75 y=0 o +6 +25 y=0
9,8 d t 2
dt dt 2
dt
Además, se tiene que y=153 mm cuando t=0 y como parte del reposo y '=0 , cuando t=0 , es
decir y ( 0 )=153 mm ó y (0)=0,153 m; y (0)=0 .
2
d y dy
+6 +25 y=0 ; y ( 0 )=0,153 ; y ' ( 0 )=0
dt
2
dt
2
Para resolverla le asociamos su ecuación característica: r +6 r +25=0
Cuyas soluciones son dos números complejos conjugados: r =−3 ± 4 i . (Cae en el CASO II).
La derivada: y =−3 e
' −3 t
[ ACos ( 4 t )+ BSen ( 4 t ) ] +e−3 t [−4 ASen ( 4 t ) +4 BCos ( 4 t ) ]
y ( 0 )=e
−3 ( 0)
[ ACos ( 0 ) + BSen ( 0 ) ] 0,153=A
A
Ó usando la otra forma: y ( t ) =C e
−at
Sen ( bt +θ ) , donde C 2=A 2 + B2 y tan ( θ )=
B
−3 t
y ( t ) =0,191 e ; y ( t ) =−0,191 e−3t .
¿ 2π 2π π
El cuasi periodo quedará: T= = =
b 4 2
c) CASO 3: VIBRACIONES FORZADAS. RESONANCIA.
En este caso consideramos el movimiento oscilatorio de un resorte sobre el que además de las
fuerzas de restitución y amortiguamiento se consideran otras fuerzas externas que varían con el
tiempo actuando sobre el sistema. Estas fuerzas se presentan por ejemplo, cuando el soporte
que contiene al resorte se le hace subir o bajar de manera determinada tal como en movimiento
periódico; o cuando se le empuja ligeramente hacia arriba cada vez que alcanza su posición más
baja.
Denotando estas fuerzas como F ( t ), la ecuación diferencial que describe el movimiento del
2 2
d y dy wd y dy
resorte es: m 2
+C +ky=F ( t ) o 2
+C +ky =F ( t )
dt dt g dt dt
EJEMPLO 1. Experimentalmente se observa que un peso de tres Kg estira 153 mm cierto resorte.
Se aplica una fuerza externa dada por F (t)=39,2 cos (8 t). Se supone que actúa una fuerza de
amortiguamiento que expresada en Kg es numéricamente igual a 2,45 v ( v = velocidad). Si
inicialmente se tira del peso hasta 10 cm por debajo de su posición de equilibrio y luego se le
suelta; expresar “ y ” en función del tiempo “t ”.
Solución.
3 d2 y dy
+2,45 +19,6 y=39,2 cos ( 8 t )
9,8 d t 2
dt
2
d y dy
2
+8 +64 y =128 cos ( 8 t ) o y ' ' + 8 y ' +64 y =128 cos ( 8 t )
dt dt
Reemplazando en la EDO:
−64 aCos 8t−64 bSen 8 t+8 [ −8 aSen 8 t +8 bCos 8 t ] +64 [ aCos 8 t +bSen 8 t ] =128cos ( 8 t )
y=0,10 e
−4 t
[ cos ( 4 √ 3 t ) −13,3 Sen ( 4 √3 t ) ] +2 Sen ( 8 t )
ii) Se ha suspendido un peso de 29Kg de un resorte vertical cuya constante es 11,9 Kg/m. Se
aplica una fuerza F (t)=2,27 cos (4 t ), t ≥ 0. Suponiendo que el peso está inicialmente en su
posición de equilibrio y se le imprime una velocidad hacia arriba de 3,05 m/s y que la fuerza
amortiguadora sea despreciable, determínese la posición y velocidad del peso en cualquier
instante.
iii) Un resorte espiral se extiende 1/8 pies a causa de un peso de 4 libras. Sobre el resorte actúa
una fuerza externa dad por F (t)=2 cos (3 t) libras. Si el peso es desplazado una distancia de 2
pulgadas de su posición de equilibrio y después soltado; determinar el movimiento provocado.
Despreciar el amortiguamiento. Si la fuerza externa es 4 Sen(wt ) libras. ¿Para qué valor de w
ocurrirá la resonancia?
Anteriormente se explicó cómo formular las ecuaciones diferenciales que resultan en ciertos
problemas en que intervienen circuitos eléctricos; sin embargo, no se consideró el caso en que
conectan una resistencia, un condensador y una inducción en serie con una batería o generador.
En esta parte trataremos el siguiente caso: consideremos el circuito en serie de la figura adjunta.
Al cerrar el inductor o llave k , circulará una corriente instantánea. Si designamos por Q la carga
instantánea del condensador C , entonces según la “Ley de Kirchhoff”,
dI Q
L + RI + =E ( t ) ,
dt C
donde la fem E(t ), depende del tiempo, pero hemos supuesto que L, R y C son constantes.
2
dQ d Q dQ Q
Puesto que I= , se tiene L +R + =E ( t )
dt dt 2
dt C
EJEMPLO. Se conectan en serie una fem de 500 voltios, una resistencia de 20 ohmios, un
inductor de 4 henrios y un condensador de 0,008 faradios. La carga Q y la intensidad de la
corriente I , son nulas cuando t=0
a) Hállese Q e I en un instante t ≥ 0 .
Solución.
dQ
Según la Ley de Kirchhoff, y teniendo en cuenta que I =
dt
2
d Q dQ Q
L 2 +R + =E ( t ) ; Q ( 0 )=0 ; I (0)=0
dt dt C
La solución de esta ecuación diferencial sujeta a las condiciones iniciales dadas es:
Q=−2 e
−2,5 t
[2 cos ( 5 t )+ Sen ( 5 t ) ]+ 4 ,
dQ −2,5t
De aquí: I= =25 e Sen ( 5 t )
dt
El término con el factor e−2,5t en Q e I son la solución transitoria, que pronto se hace
despreciable. La solución estacionaria para Q la constituye el término 4; se observa después que
el término transitorio ha desaparecido virtualmente. Así se tiene Q=4 ; I =0 cuandot crece
ilimitadamente (tiene al infinito).