100412 45 trabajo_fase1 (1)

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________________________________________________________________________________ ECUACIONES DIFERENCIALES TRABAJO COLABORATIVO 1 GRUPO 100412_45 ELIZABETH CABALLERO CC. 1116992731 RAMIRO RIVEROS PEREZ CC.74082764 NELSON YESID MASMELA CC. DEYBER PINZON BERNAL CC. TUTOR RAMIRO PEร‘A UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA CEAD YOPAL CASANARE ABRIL 2016

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Page 1: 100412 45 trabajo_fase1 (1)

________________________________________________________________________________

ECUACIONES DIFERENCIALES

TRABAJO COLABORATIVO 1

GRUPO 100412_45

ELIZABETH CABALLERO CC. 1116992731

RAMIRO RIVEROS PEREZ

CC.74082764

NELSON YESID MASMELA

CC.

DEYBER PINZON BERNAL

CC.

TUTOR

RAMIRO PEร‘A

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

CEAD YOPAL CASANARE

ABRIL 2016

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INTRODUCCION

En el presente documento conoceremos y analizaremos conceptos bรกsicos de una

ecuaciรณn diferencial; descubriremos como conocer y diferenciar una ecuaciรณn de

acuerdo a su tipo, orden y linealidad; veremos la importancia de conocer y

manejar los distintos mรฉtodos para dar soluciรณn a las mismas.

Pondremos a prueba nuestro conocimiento de derivadas e integraciรณn con el fin de

poder determinar y hallar ecuaciones diferenciales de primer orden.

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OBJETIVOS

Objetivo general

Resolver y analizar ecuaciones diferenciales de primer orden

Objetivos especรญficos

Conocer la clasificaciรณn de una ecuaciรณn diferencial

Analizar las propiedades y caracterรญsticas de una ecuaciรณn lineal

Determinar si una ecuaciรณn diferencial es exacta

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DESARROLLO ACTIVIDAD

Temรกtica 1: Introducciรณn a las ecuaciones diferenciales Indique el orden de la

ecuaciรณn diferencial y establezca si la ecuaciรณn es lineal o no lineal, justifique su respuesta.

ECUACIร“N

OBSERVACIONES: ORDEN DE

ECUACIร“N, LINEAL O NO

LINEAL Y JUSTIFICACIร“N

ESTUDIANTE

A. ๐‘ฅ2๐‘ ๐‘’๐‘›(๐‘ฅ) โˆ’ (๐‘๐‘œ๐‘ ๐‘ฅ) ๐‘ฆ = (๐‘ ๐‘’๐‘›๐‘ฅ) ๐‘‘๐‘ฆ

๐‘‘๐‘ฅ Ecuaciรณn de primer orden, lineal

NELSON MASMELA

B. ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ฆ

๐‘‘๐‘ฅ+ (๐‘ ๐‘’๐‘›๐‘ฅ) ๐‘ฆ3 = ๐‘’๐‘ฅ + 1 Es una Ecuaciรณn de 1er orden, es

una ecuaciรณn No lineal, ya que cumple con condiciรณn estar

acompaรฑado con funciones de x el รบnico problema es que el coeficiente ๐‘ฆ que acompaรฑa a

dy/dx no es un coeficiente que depende de x, por lo cual hace

que la funciรณn sea una ecuaciรณn no lineal.

ELIZABETH

CABALLERO

C. ๐‘‘2๐‘ฆ

๐‘‘๐‘ฅ2 +๐‘‘๐‘ฆ

๐‘‘๐‘ฅ+ ๐‘ฆ = ๐‘๐‘œ๐‘ (๐‘ฅ + ๐‘ฆ) Es una ecuaciรณn de 2do orden, es

una ecuaciรณn Lineal, porque la

variable dependiente es de 1er grado, los coeficientes son constantes y cumple con la

condiciรณn que sus coeficientes solo dependen de x.

ELIZABETH

CABALLERO

D. ๐‘‘2 ๐‘Ÿ

๐‘‘๐‘ข2 = โˆš1 + (๐‘‘๐‘Ÿ

๐‘‘๐‘ข)

segundo orden, no lineal porque el diferencial esta elevado al

cuadrado

NELSON YESID

MASMELA

E. (๐‘ฆ2 โˆ’ 1)๐‘‘๐‘ฅ + 6 ๐‘ฅ๐‘‘๐‘ฆ = 0 Esta ecuaciรณn lineal es ordinaria de primer orden, pues se deja a y como la variable dependiente y se

divide por dx.

RAMIRO RIVEROS

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Temรกtica 2: ecuaciones diferenciales de primer orden

A. Resuelva la siguiente ecuaciรณn diferencial por el mรฉtodo de variables

separables (Nelson Yesid Masmela)

๐‘’โˆ’๐‘ฆ + ๐‘’โˆ’2๐‘ฅ โˆ’๐‘ฆ = ๐‘’๐‘ฅ ๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ

๐‘‘๐‘ฅ

๐‘’โˆ’๐‘ฆ + ๐‘’โˆ’2๐‘ฅ ๐‘’โˆ’๐‘ฆ = ๐‘’๐‘ฅ ๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ

๐‘‘๐‘ฅ

๐‘’โˆ’๐‘ฆ(1 + ๐‘’โˆ’2๐‘ฅ ) = ๐‘’๐‘ฅ ๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ

๐‘‘๐‘ฅ

1 + ๐‘’โˆ’2๐‘ฅ

๐‘’๐‘ฅ๐‘‘๐‘ฅ =

๐‘ฆ

๐‘’โˆ’๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ

โˆซ(๐‘’โˆ’๐‘ฅ + ๐‘’โˆ’3๐‘ฅ )๐‘‘๐‘ฅ = โˆซ ๐‘ฆ๐‘’๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ

Primera integral Segunda integral Tercera integral (por partes)

๐‘ฃ = โˆ’๐‘ฅ

๐‘‘๐‘ฃ = โˆ’๐‘‘๐‘ฅ

๐‘ข = โˆ’3๐‘ฅ

๐‘‘๐‘ข = โˆ’3๐‘‘๐‘ฅ

๐‘ข = ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ฃ = ๐‘’๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ

๐‘‘๐‘ข = ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘ฃ = ๐‘’๐‘ฆ

โˆ’ โˆซ ๐‘’๐‘ฃ๐‘‘๐‘ฃ โˆ’1

3โˆซ ๐‘’๐‘ข๐‘‘๐‘ข = ๐‘ฆ๐‘’๐‘ฆ โˆ’ โˆซ ๐‘’๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ

โˆ’๐‘’โˆ’๐‘ฅ โˆ’1

3๐‘’โˆ’3๐‘ฅ + ๐‘ = ๐‘ฆ๐‘’๐‘ฆ โˆ’ ๐‘’๐‘ฆ

โˆ’๐‘’โˆ’๐‘ฅ (1 + ๐‘’โˆ’2๐‘ฅ ) + ๐‘ = ๐‘’๐‘ฆ(๐‘ฆ โˆ’ 1)

๐‘ฆ = โˆ’(1 + ๐‘’โˆ’2๐‘ฅ ) + ๐‘

๐‘’๐‘ฅ ๐‘’๐‘ฆ+ 1

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B. Determine si la ecuaciรณn dada es exacta, si lo es resuรฉlvala (Elizabeth

Caballero)

(1 โˆ’ lnx) dy = (1 + lnx +y

x) dx

Es exacta si dM

dy=

dN

dx

M(โˆ’ (1 + lnx +y

x)) dx + N(1 โˆ’ lnx) dy = 0

dM

dy= โˆ’1 โˆ’ ๐‘™๐‘›๐‘ฅ โˆ’

y

x

dN

dx= 1 โˆ’ ๐‘™๐‘›๐‘ฅ

dM

dy= โˆ’1 โˆ’ ๐‘™๐‘›๐‘ฅ โˆ’

0

x

dN

dx= 1 โˆ’ ๐‘™๐‘›0

dM

dy= โˆ’๐’๐’

dN

dx= โˆ’๐’๐’

๐œ•(1 โˆ’ ln ๐‘ฅ)

๐œ•๐‘ฅ= โˆ’

1

๐‘ฅ=

๐œ• (โˆ’1 โˆ’ ln ๐‘ฅ โˆ’๐‘ฆ

๐‘ฅ)

๐œ•๐‘ฆ

Es una ecuaciรณn exacta

f(x, y) M(x, y)dx = (โˆ’1 โˆ’ ๐‘™๐‘›๐‘ฅ โˆ’y

x) ๐‘‘๐‘ฅ

A partir de la funciรณn integramos

fโˆ’๐‘ฅ๐‘‘๐‘ฅ + โˆ’๐‘™๐‘›๐‘ฅ ๐‘‘๐‘ฅ +โˆ’ y

x ๐‘‘๐‘ฅ + ๐‘”(๐‘ฆ)

fโˆ’๐‘ฅโˆ’๐‘™๐‘›๐‘ฅ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘™๐‘›๐‘ฅ + ๐‘”(๐‘ฆ)

f๐‘™๐‘›๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘™๐‘›๐‘ฅ + ๐‘”(๐‘ฆ)

Ahora derivamos f(x, y) con respecto a y por tanto se debe obtener N(x, y)

๐‘ =df

dy

(1 โˆ’ lnx) =dfdy

๐‘™๐‘›๐‘ฅ + ๐‘ฆ๐‘™๐‘›๐‘ฅ + ๐‘”(๐‘ฆ)

(1 โˆ’ lnx) = ๐‘™๐‘›๐‘ฅ + ๐‘”(๐‘ฆ) ฬ

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Despejamos๐‘”(๐‘ฆ)ยด๐‘”(๐‘ฅ)ยด = 1

g(y)โ€™ (1 โˆ’ lnx) dy + ๐‘™๐‘›๐‘ฅ

g(y)โ€™ 1d๐‘ฆ โˆ’ lnx dy +๐‘™๐‘›๐‘ฅ

g(y)โ€™ ๐‘ฆ โˆ’ lnxy + ๐‘™๐‘›๐‘ฅ

g(y)โ€™ ๐‘ฆ

๐‘น/ F= ๐‘”(๐‘ฆ) +g (y)โ€™ = ๐’ ๐’๐’™ โˆ’ ๐’š ๐’๐’๐’™ + ๐’š

C. Resuelva la siguiente ecuaciรณn diferencial hallando el factor integrante

6๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฅ + (4๐‘ฆ โˆ’ 9๐‘ฅ 2)๐‘‘๐‘ฆ = 0

๐œ•(6๐‘ฅ๐‘ฆ)

๐œ•๐‘ฆ= 6๐‘ฅ

๐œ•(4๐‘ฆ โˆ’ 9๐‘ฅ 2)

๐œ•๐‘ฅ= 18๐‘ฅ

Las derivadas parciales no son iguales

Procedemos a hallar el factor integrante

๐‘€๐‘ฅ โˆ’ ๐‘๐‘ฆ

๐‘€๐‘ฅ๐‘ฆ

=18๐‘ฅ โˆ’ 6๐‘ฅ

6๐‘ฅ๐‘ฆ=

12๐‘ฅ

6๐‘ฅ๐‘ฆ=

2

๐‘ฆ

๐œ‡๐‘ฅ = ๐‘’โˆซ

2

๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ

= ๐‘’2 ln ๐‘ฆ = ๐‘’ ln ๐‘ฆ2= ๐‘ฆ2

๐‘ฆ2(6๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฅ) + ๐‘ฆ2(4๐‘ฆ โˆ’ 9๐‘ฅ 2)๐‘‘๐‘ฆ = 0

6๐‘ฅ๐‘ฆ3๐‘‘๐‘ฅ + (4๐‘ฆ3 โˆ’ 9๐‘ฅ 2๐‘ฆ2)๐‘‘๐‘ฆ = 0

โˆซ 6๐‘ฅ๐‘ฆ3๐‘‘๐‘ฅ = 3๐‘ฅ 2๐‘ฆ3

๐‘“(๐‘ฅ,๐‘ฆ) = 3๐‘ฅ 2๐‘ฆ3 + โ„Ž(๐‘ฆ)

โˆ’9๐‘ฅ 2๐‘ฆ2 + โ„Žโ€ฒ(๐‘ฅ) = 4๐‘ฆ3 โˆ’ 9๐‘ฅ 2๐‘ฆ2

โ„Žโ€ฒ(๐‘ฅ) = 4๐‘ฆ3

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Integrando

โ„Ž(๐‘ฅ) = ๐‘ฆ4

๐‘“(๐‘ฅ, ๐‘ฆ) = 3๐‘ฅ 2๐‘ฆ3 + ๐‘ฆ4 + ๐‘

E. Resuelva el siguiente ejercicio de valor inicial (Ramiro Riveros)

(๐‘ฅ 2 + 2๐‘ฆ2)๐‘‘๐‘ฅ

๐‘‘๐‘ฆโˆ’ ๐‘ฅ๐‘ฆ = 0

๐‘ฆ(โˆ’1) = 1

Respuesta

Nombre estudiante que realiza el ejercicio: Ramiro Riveros Pรฉrez

PROPOSICION ENUNCIADO O EXPRESIร“N

MATEMรTICA

RAZON O EXPLICACION

Despejemos dy/dx para verificar si es

homogรฉnea:

Se remplaza en la ecuaciรณn y=ay y x=ax

Luego, la ecuaciรณn diferencial es

homogรฉnea; dividimos entrex2:

Ahora:

Se deriva con respecto a:

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Se separa las variables:

Integrando:

Resolvemos:

Se remplaza en la integral:

Se reemplaza (**) en (*):

ln|1 + ๐‘ง2| = 2 ln|๐‘ฅ| + ๐ถ โ†’ ln|1 + ๐‘ง2| = ๐‘™๐‘›|๐‘ฅ2| + ๐ถ

๐‘’ln |1+๐‘ง2| = ๐‘’ln|๐‘ฅ2|+๐‘ โ†’ 1 + ๐‘ง2 = ๐‘’๐‘๐‘ฅ2

1 + ๐‘ง2 = ๐ถ๐‘ฅ2

Entonces:

๐‘ง =๐‘ฆ

๐‘ฅ

1 + (๐‘ฆ

๐‘ฅ)

2

= ๐‘๐‘ฅ2

๐‘ฆ2

๐‘ฅ2= ๐‘๐‘ฅ2 โˆ’ 1

๐‘ฆ2 = ๐‘ฅ2(๐‘๐‘ฅ2 โˆ’ 1)

๐‘ฆ = ยฑ๐‘ฅโˆš๐‘๐‘ฅ2 โˆ’ 1

Reemplazamos y resolvemos:

1 = (1) โˆš๐‘(1)2 โˆ’ 1 1 = ๐‘ โˆ’ 1

๐‘ = 2

Hallando el valor de la contaste

๐‘ฆ = ๐‘ฅโˆš๐‘๐‘ฅ2 โˆ’ 1 Ecuaciรณn diferencial.

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Elizabeth Caballero Ramiro Riveros

Nelson Masmela Deyber Pinzon

EVALUACIร“N Y ANรLISIS DE SOLUCIร“N PLANTEADA

Enunciado 1:

Considere un gran tanque que contiene 1000L de agua, dentro del cual una

soluciรณn salada de salmuera empieza a fluir a una velocidad constante de 6 L/min. La soluciรณn dentro del tanque se mantiene bien agitada y fluye hacia el exterior del tanque a una velocidad de 6L/min. SI la concentraciรณn de sal en la salmuera que

entra en el tanque es de 1Kg/L, determine cuando serรก de 1/2kg/L la concentraciรณn de sal en el tanque. PROPOSICION ENUNCIADO O EXPRESION MATEMATICA

๐‘‰(0) = 1000๐ฟ

๐ถ๐‘’ = ๐พ๐‘” ๐ฟโ„ (๐ถ๐‘œ๐‘›๐‘๐‘’๐‘›๐‘ก๐‘Ÿ๐‘Ž๐‘๐‘–รณ๐‘› ๐‘‘๐‘’ ๐‘’๐‘›๐‘ก๐‘Ÿ๐‘Ž๐‘‘๐‘Ž)

๐‘‰๐ธ = 6๐ฟ ๐‘š๐‘–๐‘›โ„ (๐‘…๐‘Ž๐‘งรณ๐‘› ๐‘‘๐‘’ ๐‘’๐‘›๐‘ก๐‘Ÿ๐‘Ž๐‘‘๐‘Ž)

๐‘‰๐‘  = 6๐ฟ ๐‘š๐‘–๐‘›โ„ (๐‘…๐‘Ž๐‘งรณ๐‘› ๐‘‘๐‘’ ๐‘ ๐‘Ž๐‘™๐‘–๐‘‘๐‘Ž)

๐‘ฅ(0) = ๐‘‚(๐ถ๐‘Ž๐‘›๐‘ก๐‘–๐‘‘๐‘Ž๐‘‘ ๐‘–๐‘›๐‘–๐‘๐‘–๐‘Ž๐‘™ ๐‘‘๐‘’ ๐‘ ๐‘Ž๐‘™๐‘š๐‘ข๐‘’๐‘Ÿ๐‘Ž ๐‘’๐‘› ๐‘’๐‘™ ๐‘ก๐‘Ž๐‘›๐‘ž๐‘ข๐‘’)

๐‘„(๐‘ก) = 1 2โ„ ๐พ๐‘” ๐ฟโ„

๐‘Ž๐‘๐‘ข๐‘š๐‘ข๐‘™๐‘Ž๐‘๐‘–๐‘œ๐‘› = ๐‘‰๐‘‘๐‘(๐‘ก)

๐‘‘๐‘ก

Debido a que el volumen es constante el caudal de entrada y de salida es el mismo

๐‘’๐‘›๐‘ก๐‘Ÿ๐‘Ž๐‘‘๐‘Ž = ๐‘„๐‘’๐‘๐‘’ = 6๐ฟ

๐‘š๐‘–๐‘›ร— 1

๐‘˜๐‘”

๐ฟ= 6 ๐‘˜๐‘”/๐‘š๐‘–๐‘›

La salida de sal que sale por minuto seria

๐‘ ๐‘Ž๐‘™๐‘–๐‘‘๐‘Ž = ๐‘„๐‘ ๐‘(๐‘ก) = 6๐ฟ

๐‘š๐‘–๐‘› ๐‘(๐‘ก) = 6 ๐‘(๐‘ก) ๐‘˜๐‘”/๐‘š๐‘–๐‘›

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La fรณrmula general para hallar la cantidad de soluto en un tiempo nos quedarรญa.

๐‘‘๐‘„

๐‘‘๐‘ก= ๐‘‰๐ธ . ๐ถ๐‘’ โˆ’ ๐‘‰๐‘ 

๐‘„(๐‘ก)

(๐‘‰๐ธ โˆ’ ๐‘‰๐‘ )๐‘ก + ๐‘‰0

Reemplazamos los valores conocidos

๐‘‘๐‘„

๐‘‘๐‘ก= 6(1) โˆ’

6๐‘„(๐‘ก)

(6 โˆ’ 6)๐‘ก + 1000

Resolvemos

๐‘‘๐‘„

๐‘‘๐‘ก= 6 โˆ’

6๐‘„(๐‘ก)

(0)๐‘ก + 1000

Quedarรญa la ecuaciรณn diferencial

๐‘‘๐‘„

๐‘‘๐‘ก= 6 โˆ’

6๐‘„(๐‘ก)

1000

Organizamos dejando a Q de un lado de la ecuaciรณn

๐‘‘๐‘„

๐‘‘๐‘ก+

6๐‘„(๐‘ก)

1000= 6

Simplificamos

๐‘‘๐‘„

๐‘‘๐‘ก+

3๐‘„(๐‘ก)

500= 6

Utilizamos mรฉtodo de factor integrante

๐‘’โˆซ1

500๐‘‘๐‘ฅ = ๐‘’โˆซ

๐‘ก

500

Multiplicamos toda la ecuaciรณn por el factor integrante

๐‘’๐‘ก

500 (๐‘‘๐‘„

๐‘‘๐‘ก) + ๐‘’

๐‘ก

500 (3๐‘„

500) = ๐‘’

๐‘ก

500 (6)

Derivamos

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________________________________________________________________________________

๐‘‘

๐‘‘๐‘ก(๐‘’

๐‘ก

500 ๐‘„) = 6. ๐‘’๐‘ก

500

Integramos con respecto a t ambos lados

(๐‘’๐‘ก

500 ๐‘„) = โˆซ 6. ๐‘’๐‘ก

500 ๐‘‘๐‘ก

Resolvemos

(๐‘’๐‘ก

500 ๐‘„) = 6. ๐‘’๐‘ก

500 (500) + ๐‘

Reescribimos

(๐‘’๐‘ก

500 ๐‘„) = 3000. ๐‘’๐‘ก

500 + ๐‘

Multiplicamos a ambos lados por ๐‘’โˆ’๐‘ก

500

๐‘„(๐‘ก) = 3000 + ๐‘. ๐‘’โˆ’๐‘ก

500

Reemplazamos los valores de ๐‘„(0)๐‘Œ ๐‘ก(0)

๐‘„(๐‘ก) = 3000 + ๐‘. ๐‘’0

500

Hallamos el valor de c.

๐‘„(0) = 3000 + ๐‘.1

0 = 3000 + ๐‘

๐‘ = โˆ’3000

Reemplazamos el valor de c en la ecuaciรณn.

๐‘„(๐‘ก) = 3000 โˆ’ 3000(๐‘’โˆ’๐‘ก

500 )

Hallamos el valor de t despejando la ecuaciรณn y sustituyendo los valores de ๐‘„(๐‘ก)

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1

2= 3000 โˆ’ 3000 (๐‘’

โˆ’๐‘ก

500 )

Ahora t es

๐‘ก = โˆ’500 ln (5999

6000) โ‰ˆ 0,083

RAZON O EXPLICACION

Respuesta: Cuando t valga 0,083 min, entonces en el tanque habrรก una

concentraciรณn de 1โ„2 Kgโ„L de sal.

De esta manera deducimos la ecuaciรณn diferencial

๐‘‘๐‘(๐‘ก)

๐‘‘๐‘ก=

6 โˆ’ 6๐‘(๐‘ก)

1000

๐‘โ€ฒ = (1 โˆ’ ๐‘)3

500

1

1 โˆ’ ๐‘๐‘‘๐‘ =

3

500๐‘‘๐‘ก

โˆซ1

1 โˆ’ ๐‘๐‘‘๐‘ = โˆซ

3

500๐‘‘๐‘ก

โˆ’ ln(1 โˆ’ ๐‘) =3

500๐‘ก + ๐‘˜

๐‘’โˆ’ ln(1โˆ’๐‘) = ๐‘’(

3

500๐‘ก+๐‘˜)

1 โˆ’ ๐‘ = ๐‘’3

500๐‘ก๐‘’๐‘˜

๐‘ = ๐‘˜โ€ฒ๐‘’โˆ’

3

500๐‘ก

โˆ’ 1

๐‘(๐‘ก) = 1 โˆ’ ๐‘˜ โ€ฒ๐‘’โˆ’3

500๐‘ก

๐‘˜โ€ฒ = 0

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Porque ๐‘(0) = 0

Entonces

๐‘(๐‘ก) = 1 โˆ’ ๐‘’โˆ’โˆ’3

500๐‘ก

Como ๐‘(๐‘ก) =1

2

1

2= 1 โˆ’ ๐‘’โˆ’โˆ’

3

500๐‘ก

๐‘’โˆ’3

500๐‘ก =

1

2

โˆ’3

500๐‘ก = ln

1

2

๐‘ก = โˆ’500

3ln

1

2

๐‘ก = 115,52 ๐‘š๐‘–๐‘›๐‘ข๐‘ก๐‘œ๐‘ 

Enunciado 2:

Un objeto de masa 3 Kg se libera desde el reposo a 500 m sobre el piso y se le permite caer bajo la influencia de la gravedad. Suponga que la fuerza gravitacional es constante, con ๐‘”=9,81 ๐‘š๐‘ 2 y que la fuerza debida a la resistencia del aire es

proporcional a la velocidad del objeto con constante de proporcionalidad ๐‘=3 ๐‘๐‘ ๐‘š.

Determinar el momento en el que el objeto golpearรก el suelo.

Soluciรณn a evaluar:

Datos:

M=3kg

Reposo= 500 m

g=9,81 m/s2

b=3 Ns/m

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Al realizar el diagrama de fuerzas, nos damos cuenta que hay dos fuerzas

actuando sobre el objeto. Una fuerza constante debida al empuje hacia abajo de la

gravedad y una fuerza debida a la resistencia del aire que es proporcional a la

velocidad del objeto, actuando en forma opuesta al movimiento del objeto. Por lo

tanto, el movimiento del objeto se realizarรก a lo largo de un eje vertical.

Elegimos como origen el punto desde donde el objeto fue lanzado inicialmente. Definimos (๐‘ก) la distancia que ha caรญdo el objeto hasta el instante ๐‘ก.

Las fuerzas que actรบan sobre el objeto a lo largo de este eje son: El peso, ๐น1=๐‘Š=๐‘š๐‘” donde ๐‘” es la aceleraciรณn de la gravedad.

Fuerza debida a la resistencia del aire, ๐น2=โˆ’๐‘ (๐‘ก) con ๐‘>0

De esta manera, la fuerza neta ๐น que actรบa sobre el sistema es

๐‘ญ=๐’Ž๐’ˆ+๐’ƒ๐’—(๐’•)

Aplicando la segunda ley de Newton tenemos:

Al resolver la ecuaciรณn anterior por el mรฉtodo de variables separables, podemos

colegir que

Como

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(0)=๐‘ฃ0 , que es una de las condiciones iniciales del problema (cuando el tiempo es cero el objeto tiene una velocidad inicial), el valor de la constante ๐‘˜ se halla

reemplazando en la ecuaciรณn anterior ๐‘ก=0 ; ๐‘ฃ=๐‘ฃ0

De donde

Reemplazando la ecuaciรณn 2 en la ecuaciรณn 1 se deduce que la ecuaciรณn de la

velocidad

Como hemos considerado que ๐‘ฅ0=0 cuando ๐‘ก=0, determinamos la ecuaciรณn del

movimiento integrando (๐‘ก), respecto al tiempo.

Reemplazando por los valores iniciales ๐‘ฅ=0 ๐‘ ๐‘–๐‘ก=0

De donde

Reemplazando la ecuaciรณn 4 en la ecuaciรณn 3 tenemos

De donde la ecuaciรณn del movimiento es

Utilizando este modelo con ๐‘ฃ0=0, ๐‘š=3, ๐‘=3 ๐‘ฆ๐‘”=9,81 y reemplazando en la

ecuaciรณn de movimiento, obtenemos

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Entonces

Como el objeto se libera a 500 m sobre el piso, podemos determinar el momento en que el objeto golpea el suelo haciendo (๐‘ก)=500, y despejando ๐‘ก. Asรญ,

escribimos

O lo que es lo mismo

Como esta รบltima ecuaciรณn no se puede resolver de manera explรญcita en tรฉrminos

de ๐‘ก. Podrรญa tratar de aproximarse ๐‘ก mediante el mรฉtodo de aproximaciรณn de

Newton, pero en este caso, no es necesario. Como ๐‘’โˆ’๐‘ก serรก muy pequeรฑo para ๐‘ก

cercano a 51,97 (๐‘’โˆ’51,97โ‰ˆ10โˆ’22) simplemente ignoramos el tรฉrmino ๐‘’โˆ’๐‘ก y

obtenemos como aproximaciรณn ๐‘ก=49,968 ๐‘ ๐‘’๐‘”๐‘ข๐‘›๐‘‘๐‘œ๐‘ 

๐น๐‘‡ = ๐น1 โˆ’ ๐น2

๐น๐‘‡ = ๐‘š๐‘” โˆ’ ๐‘ ๐‘ฃ(๐‘ก)la formula el rozamiento es negativo ya que es contraรญa a la fuerza de

gravedad.

๐‘š. ๐‘Ž = ๐‘š๐‘” โˆ’ ๐‘ ๐‘ฃ(๐‘ก)

๐‘š๐‘‘๐‘ฃ

๐‘‘๐‘ก= ๐‘š๐‘” โˆ’ ๐‘ ๐‘ฃ(๐‘ก)el diferencial

๐‘‘๐‘ฅ

๐‘‘๐‘ก esta mal expresado porque la aceleraciรณn no debe ser en

funciรณn de la distancia sino de la velocidad.

1

๐‘š(๐‘š

๐‘‘๐‘ฃ

๐‘‘๐‘ก) =

1

๐‘š(๐‘š๐‘” โˆ’ ๐‘ ๐‘ฃ(๐‘ก))

๐‘‘๐‘ฃ = (๐‘” โˆ’ (๐‘ ๐‘ฃ(๐‘ก))/๐‘š) ๐‘‘๐‘ก

๐‘‘๐‘ฃ/ (๐‘” โˆ’ ๐‘ ๐‘ฃ

๐‘š) = ๐‘‘๐‘ก

Integramos

โˆซ1

(๐‘”โˆ’ ๐‘ ๐‘ฃ

๐‘š)

. ๐‘‘๐‘ฃ โ†’ 1

๐‘”โˆซ

1

(1โˆ’ ๐‘ ๐‘ฃ

๐‘š.๐‘”)

. ๐‘‘๐‘ฃ

๐‘ข = 1 โˆ’ (๐‘

๐‘š๐‘”๐‘ฃ)

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๐‘‘๐‘ข =๐‘

๐‘š๐‘”๐‘‘๐‘ฃ

โˆ’๐‘š๐‘”

๐‘โˆซ

1

๐‘ข. ๐‘‘๐‘ข = ๐‘” โˆซ ๐‘‘๐‘ก โ†’ ln (1 โˆ’

๐‘

๐‘š๐‘”๐‘ฃ)= (

โˆ’๐‘

๐‘š) ๐‘ก + ๐‘˜ โ†’

โˆ’b

๐‘š๐‘ก + ๐‘˜

1 โˆ’๐‘

๐‘š๐‘”v = k ๐‘’

โˆ’๐‘

๐‘š๐‘ก โ†’ ๐‘ฃ =

๐‘š๐‘”

๐‘โˆ’ ๐‘˜

๐‘š๐‘”

๐‘๐‘’

โˆ’๐‘

๐‘š๐‘ก

๐‘ฃ0 =๐‘š๐‘”

๐‘โˆ’ ๐‘˜

๐‘š๐‘”

๐‘= ,

Despejamos k

k = 1 โˆ’๐‘

๐‘š๐‘”๐‘ฃ๐‘œ

๐‘ฃ =๐‘š๐‘”

๐‘โˆ’ ๐‘˜

๐‘š๐‘”

๐‘๐‘’

โˆ’๐‘

๐‘š๐‘ก

X(t)= โˆซ ๐‘ฃ. ๐‘‘๐‘ก = โˆซ๐‘š๐‘”

๐‘๐‘‘๐‘ก โˆ’

๐‘š๐‘”

๐‘๐‘‘๐‘ก โˆซ ๐‘’

โˆ’๐‘

๐‘š๐‘ก

๐‘‘๐‘ก

๐‘ฅ =๐‘š๐‘”

๐‘๐‘ก โˆ’

๐‘š2

๐‘2๐‘” ๐‘’

โˆ’๐‘

๐‘š๐‘ก

๐‘ฅ =๐‘š๐‘”

๐‘๐‘ก โˆ’

๐‘š2

๐‘2๐‘” ๐‘’

โˆ’๐‘

๐‘š๐‘ก

๐‘ฅ = 9.8๐‘ก + 9.8 ๐‘’โˆ’๐‘ก

500

9.8= ๐‘ก + ๐‘’โˆ’๐‘ก

51.02 = ๐‘ก + ๐‘’โˆ’๐‘ก

El objeto golpeara el piso en 51.02 segundos

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CONCLUSIONES

Con el desarrollo del presente trabajo, estamos en condiciones de identificar el

mรฉtodo o caso que se debe utilizar para dar la soluciรณn general a una ecuaciรณn

diferencial de primero orden.

En la resoluciรณn del presente trabajo nos apropiamos de los conceptos bรกsicos y

terminologรญas de las ecuaciones diferenciales de primer orden, aplicando

diferentes casos en la resoluciรณn de los problemas analizando propiedades y

caracterรญsticas de una ecuaciรณn lineal.

Las ecuaciones diferenciales nos permiten solucionar ejercicios planteados en

todos los estudios de ingenierรญa y otras รกreas.

Se reconocieron los diferentes casos de soluciรณn de las ED de primer orden.

Se plantearon mรฉtodos situaciรณn y soluciรณn a ED de primer orden.

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BIBLIOGRAFIA

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tecnolรณgica de Chile, INACAP SEDE VIRTUAL, www.inacap.cl.

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