ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR

Documentos relacionados
ECUACIONES DIFERENCIALES DE PRIMER ORDEN

Ecuaciones lineales de segundo orden

Lista de ejercicios # 4

APLICACIÓN DE LAS ECUACIONES DIFERENCIALES DE PRIMER ORDEN EN PROBLEMAS FÍSICOS

(a) [0,7 puntos] Encuentre los valores de las constantes A y B, y del punto x 2 (0, 1) de modo que la fórmula de cuadratura:

Material suplementario en modelado de sistemas mecánicos. R. Alzate. Control de Sistemas Eléctricos

ECUACIONES DIFERENCIALES LINEALES DE SEGUNDO ORDEN

Transformada de Laplace: Aplicación a vibraciones mecánicas

FÍSICA II VIBRACIONES MECÁNICAS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ETSI MINAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA A LOS RECURSOS NATURALES

Lista sobre Solución por Series.

1. Coeficientes Indeterminados

Nombre.: Carné.: Correo Electrónico.:

Pauta Prueba Solemne 2. y(x) = C 1 x 2 2C 2 x 2. Notemos que el determinante del Wronskiano de u y v esta dado por.

Ecuaciones diferenciales de orden superior

Aplicaciones de ED de segundo orden

No usar por academias

ECUACIONES DIFERENCIALES DE PRIMER ORDEN

2xy 3x 2 y 2 y(0) = 1

UNIVERSIDAD DE VALPARAISO INGENIERIA CIVIL OCEANICA. Ecuaciones Diferenciales Ecuaciones Lineales de orden superior Segundo Semestre 2008

Amortiguado. March 23, 2017

SOLO PARA INFORMACION

Ecuaciones Diferenciales Ordinarias

Lista de ejercicios # 2. Uso de series de potencias y de Frobenius

Ejemplos de los capítulos V, VI, y VII

Complementos de Análisis. Año 2016

Ayudantía 2 Física General III (FIS130) Movimiento Armónico Amortiguado y Forzado Ayudante: Nicolás Corte Díaz

Ecuaciones diferenciales de orden superior

Problemas. Laboratorio. Física moderna 09/11/07 DEPARTAMENTO DE FÍSICA E QUÍMICA. Nombre:

FISICA ONDULATORIA DPTO. DE FISICA -UNS GUÍA 1

4.3 Problemas de aplicación 349

Prácticas de Métodos Numéricos Prof. Tomás Martín

Introducción a las ecuaciones diferenciales ordinarias. senx + C 2. e x + C 2

218 Ecuaciones diferenciales. ) r 2 D 4: 9. y.4/ C y 000 3y 00 5y 0 2y D y.4/ 16y D y.4/ C 2y 00 C y D y.7/ 2y.5/ C y.3/ D 0.

ECUACIÓN DE OSCILACIONES. Tomado del texto de Ecuaciones Diferenciales de los Profesores. Norman Mercado. Luis Ignacio Ordoñéz

ECUACIONES DIFERENCIALES LINEALES DE ORDEN n Solución General, Particular y aproximaciones.

Lección 1.- Ecuaciones Diferenciales de Primer Orden

Algunos ejercicios de Ampliación de Cálculo

II. Vibración libre de un sistema de un grado de libertad

Relación de ejercicios 5

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL INSTITUTO DE CIENCIAS FÍSICAS II TÉRMINO PRIMERA EVALUACIÓN DE FÍSICA A SOLUCIÓN

Laboratorio Nº 5 Método de coeficientes indeterminados. Métodos de variación de parámetros. Ecuación diferencial de Euler.

5 Estabilidad de soluciones de equilibrio

TEMA: MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE

Ecuaciones Diferenciales y Métodos Numéricos

8.4. CRITERIO DE ESTABILIDAD POR EL METODO DIRECTO DE LIAPUNOV

Modelización por medio de sistemas

10) Una masa de 1 kg cuelga de un resorte cuya constante elástica es k = 100 N/m, y puede oscilar libremente sin rozamiento. Desplazamos la masa 10

Ecuaciones diferenciales de orden superior

MATEMÁTICAS II. Práctica 3: Ecuaciones diferenciales de orden superior

Tema 6: Ecuaciones diferenciales lineales.

Tema 2 Análisis Dinámico de Sistemas 2º Ing. Telecomunicación. Octubre de 2003 Análisis Dinámico de Sistemas (2º Teleco, EPSIG) 1 de 30

Ecuaciones Diferenciales Ordinarias

7 Ecuación diferencial ordinaria de orden n con coecientes constantes

Semana 07 EDO de 2do orden homogénea - Aplicaciones. Elizabeth Villota Facultad de Ingeniería Mecánica Universidad Nacional de Ingeniería

Semana 06 EDO de orden alto - Aplicaciones

ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR DE COEFICIENTES VARIABLES

Ecuaciones lineales de orden superior

III. Vibración con excitación armónica

Unidad 3 - Modos Normales de una barra y Análisis de Fourier Conceptos:

CARRERA : Ing. MECÁNICA GUIA DE PROBLEMAS Nº12

Transformada de Laplace - Conceptos Básicos. e -st f(t)dt. L { f (t) } = F(s) =

( ) ( ) Si a = 1, Rang A = 2 Rang A = 3 sistema incompatible. Si a = 0, Rang A = Rang A = 2 sistema compatible indeterminado

Noviembre 2006, Versión 1.1. Ejercicio 1 Resuelve las siguientes ecuaciones diferenciales ordinarias. 1. 4y 00 + y 0 =0. 2. y 00 y 0 6y =0.

EXAMEN FINAL DE METODOS NUMERICOS (MB536) t y(t) L bt

5.- ECUACIONES DIFERENCIALES LINEALES DE ORDEN SUPERIOR

Ecuaciones lineales de orden n con coecientes constantes

Euler. dy dt = y = f(t, y), Δy Δt dy. dt. y k+1 y k = f(t, y)δt. y k+1 y k + hf(t k,y k ) (1) Dada una ecuación diferencial ordinaria de la forma

APLICACIONES COMPUTACIONALES INGENIERÍA EJECUCIÓN MECÁNICA INTEGRACIÓN NUMÉRICA. IEM APLICACIONES COMPUTACIONALES

Pauta Examen Final - Ecuaciones Diferenciales

Examen de Física-1, 1 Ingeniería Química Primer parcial. Diciembre de 2012 Problemas (Dos puntos por problema).

Problemario de la asignatura de Ecuaciones Diferenciales

Guía de Acústica n 1 Movimiento Armónico Simple Tecnología en Sonido

Taller de Aplicaciones de las Ecuaciones Diferenciales de primer orden

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE HONDURAS UNAH

Solución por coeficientes indeterminados

Tema 7: Ecuaciones diferenciales. Conceptos fundamentales. Integración de algunas ecuaciones diferenciales. Aplicaciones.

Fuerzas. Estática. Principios de Mecánica. Licenciatura de Física. Curso

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ACATLÁN HORAS SEMANA

A = [a 1 a 2 a 3. El sistema Ax = c tiene infinitas soluciones N. Existe un único vector x tal que T (x) = c X. T es suprayectiva

Discusión de sistemas

Sistemas de Ecuaciones Diferenciales Ordinarias.

Elementos de Cálculo Numérico / Cálculo Numérico Segundo Cuatrimestre 2017

EXAMEN PARCIAL DE FÍSICA 2 AA 234 (E, F y G)

CAMPO DE DIRECCIONES. Objetivos

CERTAMEN N o 1 MAT

Examen de TEORIA DE MAQUINAS Junio 95 Nombre...

Movimiento armónico simple. Movimiento armónico simple Cuestiones

Cursada Segundo Cuatrimestre 2012 Guía de Trabajos Prácticos Nro. 5

Tema 1: Ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden

Fundamentos matemáticos. Tema 8 Ecuaciones diferenciales

Certamen 1 Fis130 (PAUTA) Física General III (FIS130) Movimiento Oscilatorio, Ondas Mecánicas y Sonido

FÍSICA - 2º BACHILLERATO MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE - HOJA 1

Qué propiedades de la molécula se pueden

Acústica y vibraciones mecánicas

E.T.S. Minas: Métodos Matemáticos Ejercicios Tema 7 Ecuaciones diferenciales de primer orden

ACADEMIA CENTRO DE APOYO AL ESTUDIO MOVIMIENTO VIBRATORIO.

Taller No. 11: Ecuaciones Lineales de Segundo Orden El Oscilador Masa-Resorte Forzado

Fundamentos de Matemáticas

Transcripción:

FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR Solución analítica de ED de orden superior con fenómeno resonante. Adrian Montoya Lince (Docente) David Hincapie Garcia (Auxiliar Docente) Alejandro Arias Rodriguez (Monitor)

ENUNCIADOS EJERCICIO Dada la ecuación diferencial de orden superior (D 3 + 4D 2 + 6D + 4)y(x) = e x sin x. Encuentre un Conjunto Fundamental de Soluciones de la ED. 2. Encuentre la solución particular usando el método de operador inverso. 3. Grafique la solución tomando C = C 2 = C 3 =. EJERCICIO 2 Dada la ecuación diferencial de orden superior (D 3 + 4D)y(x) = sin 2x + x. Encuentre un Conjunto Fundamental de Soluciones de la ED. 2. Encuentre la solución particular a la ecuación diferencial. 3. Grafique la solución tomando C = C 2 = C 3 =. EJERCICIO 3 El sistema mostrado en la figura corresponde a un sistema masa resorte sin amortiguamiento, al resorte se le conecta una masa m = 8 Kg de modo que sufre una deformación δ 0 = 62.26 cm respecto a su posición inicial. El medio en el que está el resorte tiene un coeficiente de rozamiento B = 4 Ns/m. El resorte sufre un alargamiento y 0 = 0 cm a partir del punto de equilibrio antes de ser liberado. Encuentre:. La constante de rigidez del resorte. 2. La posición del sistema sino tiene exitaciones externas. 3. La posición del sistema si sufre una exitación de la forma f(t) = 5 N. Grafique la posición y el plano de fase del sistema.

Figure : DCL para sistema masa-resorte sin amortiguamiento 4. La posición del sistema si sufre una exitación de la forma f(t) = 256 sin 4t. Suponga que el sistema está en un medio donde B = 0 y que es liberado desde el punto de equilibrio. Grafique la posición del sistema. Qué puede concluir? EJERCICIOS PROPUESTOS EJERCICIO Dada la ecuación diferencial de orden superior (D 2 + 2D + )y(x) = e x sec 2 (x). Encuentre un Conjunto Fundamental de Soluciones de la ED. 2. Encuentre la solución particular usando el método de variación de parámetros. 3. Grafique la solución que pasa por los puntos y(0) = y y (0) = 0. EJERCICIO 2 Dada la ecuación diferencial de orden superior y 8y + 6y = xe 4x + e 5x cos x. Encuentre un Conjunto Fundamental de Soluciones de la ED. 2. Implemente dos métodos de solución para la solución particular. 3. Encuentre una solución tal que y(0) = y y (0) = 0. Grafique.

SOLUCIÓN EJERCICIO El polinomio característico asociado a la ED Homogenea viene dado por: λ 3 + 4λ 2 + 6λ + 4 = 0 que tiene por raíces λ = 2 y λ 2,3 = ± j, entonces CF S = {e 2x, e x cos x, e x sin x}. La solución particular por el método de Operador Inverso se obtiene así: y ss = D 3 + 4D 2 + 6D + 4 e x sin x Aplicando la propiedad L [eax n(d) f(x)] = e ax L n(d+a) [f(x)] se tiene y ss = e x sin x D 3 + D 2 + D + Dado que L n ( ) = 0 entonces: y ss = xe x 2D 2 D 2 = La solución viene dada por: sin x = xe x 4 D 2 = (D + ) sin x = xe x (cos x + sin x) 4 Solución particular {}}{ y(x) = C e 2x + C 2 e x cos x + C 3 e x sin x xe x (cos x + sin x) }{{} 4 Solución a la ED Homogenea

Figure 2: Solución a la ED. (D 3 + 4D 2 + 6D + 4)y(x) = e x sin x. Código Matlab: syms x; Y=exp(-2*x)+exp(-x)*(cos(x)+sin(x))-x*exp(-x)*(cos(x)+sin(x))/4; set(ezplot(y,[-,4]), Color, r ); Código en Python import numpy as np import pylab (En archivos.py esta es la librería, online sería import matplotlib.pyplot as plt;%matplotlib inline) x=np.linspace(-,4,500) y=np.exp(-2*x)+np.exp(-x)*(np.cos(x)+np.sin(x))-x*np.exp(- x)*(np.cos(x)+np.sin(x))/4 pylab.plot(x,y) pylab.show() EJERCICIO 2 El polinomio característico asociado a la ED Homogenea viene dado por: λ 3 +4λ = 0 que tiene por raíces λ = 0 λ 2,3 = ±j2, entonces el CF S = {, sin 2x, cos 2x}. La solución particular se halla por el principio de superposición, se usaran el método de Variación de Parámetros y el método de Operador Inverso. Entonces:

Para sec 2x Variación de Parametros. sin 2x cos 2x 0 2 cos 2x 2 sin 2x 0 4 sin 2x 4 cos 2x µ µ 2 µ 3 0 = 0 x Donde W (x) = 8 Las soluciónes al sistema anterior vienen dadas por: µ = 4 x µ = 8 x2 µ 2 = 4 x sin 2x µ 2 = (2x cos 2x sin 2x) 6 µ 3 = 4 x cos 2x µ 2 = (2x sin 2x + cos 2x) 6 y ss = y µ + y 2 µ 2 + y 3 µ 3 = 6 [2x2 ] Para sin 2x Operador Inverso. y ss2 = D(D 2 + 4) D 2 = 4 sin 2x Dado que L n ( 4) = 0 entonces: y ss2 = x 4 D cos2x = x sin 2x 8 La solución viene dada por: y(x) = C + C 2 sin 2x + C 3 cos 2x + }{{} Solución a la ED Homogenea Solución particular {}}{ 6 [2x2 2x sin 2x]

Figure 3: Solución a la ED. (D 3 + 4D)y(x) = sin 2x + x. Código Matlab: syms x; Y=+sin(2*x)+cos(2*x)+(2*xˆ 2--2*x*sin(2*x))/6; set(ezplot(y,[-,4]), Color, b ); Código en Python import numpy as np import pylab (En archivos.py esta es la librería, online sería import matplotlib.pyplot as plt;%matplotlib inline) x=np.linspace(-,4,500) y=+np.sin(2*x)+np.cos(2*x)+(2*xˆ 2--2*x*np.sin(2*x))/6 pylab.plot(x,y) pylab.show() EJERCICIO 3. Al conectar la masa m al resorte, este se alarga una distancia δ 0, la fuerza recuperadora que experimenta el resorte es F = W = Kδ 0 de donde: K = mg δ 0 = 8 0 0.6226 = 28[Nm ]

La ecuación de movimiento que rige el sistema se encuentra aplicando la segunda ley de Newton. B F = mÿ = Ky Bẏ + F (t) ÿ + mẏ + K m y = F (t) m La ecuación (D 2 +0.5D+6)x(t) = F (t) tiene por polinomio característico λ 2 + 0.5λ+6 = 0 y por raíces λ,2 = 0.25±j4, de donde el CFS={e 0.25t cos 4t, e 0.25t sin 4t} 2. Cuando f(t)=0, la solución particular es 0 y la solución geneal viene dada por: y(t) = C e t 4 cos 4t + C2 e t 4 sin 4t Al evaluar las condiciones iniciales y(0) = 0. y (0) = 0 se llega a que y(t) = t t 0 e 4 cos 4t + 60 e 4 sin 4t (a) Posición (b) Plano de Fase Figure 4: Respusta del sistema cuando no está bajo exitaciones. Código Matlab: syms t Y=exp(-t/4)*cos(4*t)/0+exp(-t/4)*sin(4*t)/60; set(ezplot(y,[0,8]), Color, k ); %% Posición figure; set(ezplot(y,diff(y)), Color, k ); %% Plano de Fase 3. Cuando f(t)=5n, la solución particular viene dada por y ss = 8D 2 + 4D + 28 5 = 5 D=0 28

La solución general viene dada por: y(t) = C e t 4 cos 4t + C2 e t 4 sin 4t + 5 28 Al evaluar las condiciones iniciales y(0) = 0. y (0) = 0 se llega a que y(t) = 39 t 39 t 5 640 e 4 cos 4t + 0240 e 4 sin 4t + 28 (a) Posición (b) Plano de Fase Figure 5: Respuesta del sistema ante una exitación f(t) = 5N. Código Matlab: syms t; Y=39*exp(-t/4)*cos(4*t)/640+39*exp(-t/4)*sin(4*t)/0240+5/28; set(ezplot(y,[0,8]), Color, k ); %% Posición figure; set(ezplot(y,diff(y)), Color, k ); %% Plano de Fase 4. Cuando f(t) = 256 sin 4t N, la ecuación viene dada por: 8ÿ + 28y = 256 sin 4t El CF S = {cos 4t, sin 4t}. la solución particular viene dada por y ss = 256 8D 2 + 28 256 sin 4t = cos 4t = 0 D 2 = 6 28 + 28 y ss = 256t sin 4t = 6t 6D sin 4tdt = 4t cos 4t

La solución general viene dada por: y(t) = C cos 4t + C 2 sin 4t 4t cos 4t Al evaluar condiciones iniciales y(0) = 0 y (0) = 0 se llega a: y(t) = sin 4t 4t cos 4t Figure 6: Fenómeno de resonancia pura. Código Matlab: syms t Y=sin(4*t)-4*t*cos(4*t); set(ezplot(y,[0,8]), Color, k );