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Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T19:06:09Z

Maria.gjunco: /* Masa Total de la Placa */

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como
<center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>
en cartesianas como
<center><math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

También, definimos la densidad de la placa como <center><math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\rho+π/2)))</math></center>

Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Estos desplazamientos se corresponden con el campo <math>\vec{u}(\rho, \theta)= \rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math> .

== Representación del mallado del sólido ==
[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]
Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== Variación de temperatura ==

[[Archivo:Maximavariaciontempcolumna.jpeg|500 px|miniaturadeimagen|derecha| Variación de temperatura. ]]

{{matlab|codigo=
% Parámetros
rho = linspace(-1, 1, 200); % Rango correcto de rho
theta = linspace(0, 10, 200); % Rango de theta

% Crear una malla para rho y theta
[R, Theta] = meshgrid(rho, theta);

% Temperatura
T = sin(2 * pi * R);

% Gradiente de T con respecto a rho
dT_drho = 2 * pi * cos(2 * pi * R);

% Magnitud del gradiente
gradient_magnitude = abs(dT_drho);

% Dibujar la placa
figure;
contourf(R, Theta, T, 20, 'LineColor', 'none'); % Mapa de temperatura
colorbar;
hold on;

% Marcar los puntos de máxima variación (en rho=0 para todos los valores de theta)
plot(zeros(size(theta)), theta, 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 2);
num_flechas = 40; % Número de flechas a colocar (aumentado)
theta_step = floor(length(theta) / num_flechas); % Paso entre las flechas

for i = 1:num_flechas
% Elegir un valor de theta
idx = i * theta_step;
% Dibujamos las flechas de variación en la dirección positiva de rho
quiver(0, theta(idx), 0.2, 0, 'r', 'LineWidth', 1, 'MaxHeadSize', 1.5); % Flecha hacia la derecha, más finas
end

title('Temperatura y Dirección de Máxima Variación');
xlabel('\rho');
ylabel('\theta');
xlim([-1.5, 1.5]);
ylim([0, 10]);
hold off;

}}

== Campo de desplazamientos ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== Sólido antes y después del desplazamiento ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

[[Archivo:VonMisesapartado11campos.jpeg|450px||miniaturadeimagen|derecha| Tensión Von Mises ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la sección transversal
x = linspace(-1, 1, 200);
y = linspace(0, 10, 500);
[X, Y] = meshgrid(x, y);
rho = sqrt(X.^2 + Y.^2);
theta = atan2(Y, X);

% Componentes del tensor de tensiones en coordenadas polares
T_rr = rho .* cos(theta) .* sin(2 * pi * rho / 50);
T_rtheta = 3 * cos(theta) .* sin(2 * pi * rho / 50);
T_zz = T_rr;

% Inicializar los autovalores
sigma_1 = zeros(size(X));
sigma_2 = zeros(size(X));
sigma_3 = zeros(size(X));

% Calcular los autovalores en cada punto
for i = 1:size(X, 1)
for j = 1:size(X, 2)
% Construir el tensor de tensiones
stress_tensor = [T_rr(i, j), T_rtheta(i, j), 0;
T_rtheta(i, j), T_rr(i, j), 0;
0, 0, T_zz(i, j)];

% Calcular los autovalores
eigenvalues = eig(stress_tensor);
sigma_1(i, j) = eigenvalues(1);
sigma_2(i, j) = eigenvalues(2);
sigma_3(i, j) = eigenvalues(3);
end
end

% Calcular la tensión de Von Mises
VM = sqrt(0.5 * ((sigma_1 - sigma_2).^2 + (sigma_2 - sigma_3).^2 + (sigma_3 - sigma_1).^2));

% Encontrar el valor máximo y su posición
[VM_max, idx] = max(VM(:));
[max_row, max_col] = ind2sub(size(VM), idx);
max_x = X(max_row, max_col);
max_y = Y(max_row, max_col);

% Graficar en 3D
figure;
surf(X, Y, VM, 'EdgeColor', 'none'); % Gráfico de superficie
colormap('parula');
colorbar;
hold on;

% Asegurar que el punto rojo aparece en la gráfica
z_offset = VM_max + 0.01 * (max(VM(:)) - min(VM(:))); % Evitar problemas de superposición
plot3(max_x, max_y, z_offset, 'ro', 'MarkerSize', 10, 'MarkerFaceColor', 'r');

% Añadir texto para mayor claridad
text(max_x, max_y, z_offset, sprintf('VM Máx: %.2f', VM_max), 'Color', 'red', 'FontSize', 10);

% Personalizar el gráfico
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Tensión de Von Mises (VM)');
title('Distribución de Tensión de Von Mises en 3D');
legend(sprintf('Máximo VM: %.2f en (%.2f, %.2f)', VM_max, max_x, max_y), 'Location', 'best');
grid on;
view(45, 30); % Ajustar ángulo de la vista

}}

== Campo de fuerzas ==
El desplazamiento de la placa viene dado por un vector fuerza <math>\ \vec F </math> que actua en el interior de la placa, El cálculo de dicho vector de fuerzas se realiza haciendo una aproximación de la ecuación de la elasticidad lineal, que es : <math>\ \vec F = \nabla ·\sigma_{ij} </math>, es decir que habrá que aplicar la divergencia a la matriz del antes mencionado tensor tensiones
<math> \ \vec{F}_\rho = -\frac{\partial \sigma_{\rho \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\rho \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{\sigma_{\theta \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\rho = -\left( \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\rho = -\left(\frac{2\pi}{50}\cos(\theta) \cos\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\rho </math> 

<math> \ \vec{F}_\theta = -\frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{\sigma_{\rho \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\theta = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \theta} + \frac{0}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\theta = -\left(\frac{-3\sin(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\theta </math> 

<math> \ \vec{F}_z = -\frac{\partial \sigma_{z \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_z - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{z \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_z - \frac{\partial \sigma_{z z}}{\partial z} \cdot \vec{e}_z = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial z} \right) \cdot \vec{e}_z = 0 \cdot \vec{e}_z </math> 

Después de hacer la divergencia vemos que la fuerza no tiene componente \( \vec{F}_z \) ya que es nula es por eso que solo actuará en \( \vec{F}_\rho \) y \( \vec{F}_\theta \)

== Masa Total de la Placa ==
Queremos calcular la masa de la placa rectangular [−1,1]×[0,10]. La masa se obtiene integrando el campo escalar: <math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\theta+π/2)))</math> (densidad de la placa) a lo largo de la superficie.
Como la placa es rectangular, la podemos parametrizar utilizando coordenadas cartesianas.<math> d(x, y)=(2-\sqrt{x^2+y^2})(4-\cos(4(arctan(\frac{x}{y})+π/2)))</math>

<math> Masa=\int_{-1}^{1} \int_{0}^{10} (2-\sqrt{x^2+y^2})(4-\cos(4(arctan(\frac{x}{y})+π/2)))dxdy = 184.771 </math>

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T18:36:47Z

Maria.gjunco: /* Masa Total de la Placa */

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como
<center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>
en cartesianas como
<center><math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

También, definimos la densidad de la placa como <center><math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\rho+π/2)))</math></center>

Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Estos desplazamientos se corresponden con el campo <math>\vec{u}(\rho, \theta)= \rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math> .

== Representación del mallado del sólido ==
[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]
Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== Variación de temperatura ==

[[Archivo:Maximavariaciontempcolumna.jpeg|500 px|miniaturadeimagen|derecha| Variación de temperatura. ]]

{{matlab|codigo=
% Parámetros
rho = linspace(-1, 1, 200); % Rango correcto de rho
theta = linspace(0, 10, 200); % Rango de theta

% Crear una malla para rho y theta
[R, Theta] = meshgrid(rho, theta);

% Temperatura
T = sin(2 * pi * R);

% Gradiente de T con respecto a rho
dT_drho = 2 * pi * cos(2 * pi * R);

% Magnitud del gradiente
gradient_magnitude = abs(dT_drho);

% Dibujar la placa
figure;
contourf(R, Theta, T, 20, 'LineColor', 'none'); % Mapa de temperatura
colorbar;
hold on;

% Marcar los puntos de máxima variación (en rho=0 para todos los valores de theta)
plot(zeros(size(theta)), theta, 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 2);
num_flechas = 40; % Número de flechas a colocar (aumentado)
theta_step = floor(length(theta) / num_flechas); % Paso entre las flechas

for i = 1:num_flechas
% Elegir un valor de theta
idx = i * theta_step;
% Dibujamos las flechas de variación en la dirección positiva de rho
quiver(0, theta(idx), 0.2, 0, 'r', 'LineWidth', 1, 'MaxHeadSize', 1.5); % Flecha hacia la derecha, más finas
end

title('Temperatura y Dirección de Máxima Variación');
xlabel('\rho');
ylabel('\theta');
xlim([-1.5, 1.5]);
ylim([0, 10]);
hold off;

}}

== Campo de desplazamientos ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== Sólido antes y después del desplazamiento ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

[[Archivo:VonMisesapartado11campos.jpeg|450px||miniaturadeimagen|derecha| Tensión Von Mises ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la sección transversal
x = linspace(-1, 1, 200);
y = linspace(0, 10, 500);
[X, Y] = meshgrid(x, y);
rho = sqrt(X.^2 + Y.^2);
theta = atan2(Y, X);

% Componentes del tensor de tensiones en coordenadas polares
T_rr = rho .* cos(theta) .* sin(2 * pi * rho / 50);
T_rtheta = 3 * cos(theta) .* sin(2 * pi * rho / 50);
T_zz = T_rr;

% Inicializar los autovalores
sigma_1 = zeros(size(X));
sigma_2 = zeros(size(X));
sigma_3 = zeros(size(X));

% Calcular los autovalores en cada punto
for i = 1:size(X, 1)
for j = 1:size(X, 2)
% Construir el tensor de tensiones
stress_tensor = [T_rr(i, j), T_rtheta(i, j), 0;
T_rtheta(i, j), T_rr(i, j), 0;
0, 0, T_zz(i, j)];

% Calcular los autovalores
eigenvalues = eig(stress_tensor);
sigma_1(i, j) = eigenvalues(1);
sigma_2(i, j) = eigenvalues(2);
sigma_3(i, j) = eigenvalues(3);
end
end

% Calcular la tensión de Von Mises
VM = sqrt(0.5 * ((sigma_1 - sigma_2).^2 + (sigma_2 - sigma_3).^2 + (sigma_3 - sigma_1).^2));

% Encontrar el valor máximo y su posición
[VM_max, idx] = max(VM(:));
[max_row, max_col] = ind2sub(size(VM), idx);
max_x = X(max_row, max_col);
max_y = Y(max_row, max_col);

% Graficar en 3D
figure;
surf(X, Y, VM, 'EdgeColor', 'none'); % Gráfico de superficie
colormap('parula');
colorbar;
hold on;

% Asegurar que el punto rojo aparece en la gráfica
z_offset = VM_max + 0.01 * (max(VM(:)) - min(VM(:))); % Evitar problemas de superposición
plot3(max_x, max_y, z_offset, 'ro', 'MarkerSize', 10, 'MarkerFaceColor', 'r');

% Añadir texto para mayor claridad
text(max_x, max_y, z_offset, sprintf('VM Máx: %.2f', VM_max), 'Color', 'red', 'FontSize', 10);

% Personalizar el gráfico
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Tensión de Von Mises (VM)');
title('Distribución de Tensión de Von Mises en 3D');
legend(sprintf('Máximo VM: %.2f en (%.2f, %.2f)', VM_max, max_x, max_y), 'Location', 'best');
grid on;
view(45, 30); % Ajustar ángulo de la vista

}}

== Campo de fuerzas ==
El desplazamiento de la placa viene dado por un vector fuerza <math>\ \vec F </math> que actua en el interior de la placa, El cálculo de dicho vector de fuerzas se realiza haciendo una aproximación de la ecuación de la elasticidad lineal, que es : <math>\ \vec F = \nabla ·\sigma_{ij} </math>, es decir que habrá que aplicar la divergencia a la matriz del antes mencionado tensor tensiones
<math> \ \vec{F}_\rho = -\frac{\partial \sigma_{\rho \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\rho \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{\sigma_{\theta \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\rho = -\left( \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\rho = -\left(\frac{2\pi}{50}\cos(\theta) \cos\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\rho </math> 

<math> \ \vec{F}_\theta = -\frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{\sigma_{\rho \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\theta = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \theta} + \frac{0}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\theta = -\left(\frac{-3\sin(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\theta </math> 

<math> \ \vec{F}_z = -\frac{\partial \sigma_{z \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_z - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{z \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_z - \frac{\partial \sigma_{z z}}{\partial z} \cdot \vec{e}_z = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial z} \right) \cdot \vec{e}_z = 0 \cdot \vec{e}_z </math> 

Después de hacer la divergencia vemos que la fuerza no tiene componente \( \vec{F}_z \) ya que es nula es por eso que solo actuará en \( \vec{F}_\rho \) y \( \vec{F}_\theta \)

== Masa Total de la Placa ==
Queremos calcular la masa de la placa rectangular [−1,1]×[0,10]. La masa se obtiene integrando el campo escalar: <math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\theta+π/2)))</math> (densidad de la placa) a lo largo de la superficie.
Como la placa es rectangular, la podemos parametrizar utilizando coordenadas cartesianas.<math> d(x, y)=(2-\sqrt{x^2+y^2})(4-\cos(4(\sqrt{x^2+y^2}+π/2)))</math>

<math> Masa=\int_{-1}^{1} \int_{0}^{10} (2−\sqrt{x^2+y^2})(4−cos(4(\sqrt{x^2+y^2}+\frac{\pi}{2}))dydx = -241.64 </math>

El resultado de la masa no puede ser negativo por lo que debe de haber un problema en la configuración del campo escalar (densidad).

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T18:35:02Z

Maria.gjunco: /* Masa Total de la Placa */

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como
<center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>
en cartesianas como
<center><math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

También, definimos la densidad de la placa como <center><math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\rho+π/2)))</math></center>

Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Estos desplazamientos se corresponden con el campo <math>\vec{u}(\rho, \theta)= \rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math> .

== Representación del mallado del sólido ==
[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]
Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== Variación de temperatura ==

[[Archivo:Maximavariaciontempcolumna.jpeg|500 px|miniaturadeimagen|derecha| Variación de temperatura. ]]

{{matlab|codigo=
% Parámetros
rho = linspace(-1, 1, 200); % Rango correcto de rho
theta = linspace(0, 10, 200); % Rango de theta

% Crear una malla para rho y theta
[R, Theta] = meshgrid(rho, theta);

% Temperatura
T = sin(2 * pi * R);

% Gradiente de T con respecto a rho
dT_drho = 2 * pi * cos(2 * pi * R);

% Magnitud del gradiente
gradient_magnitude = abs(dT_drho);

% Dibujar la placa
figure;
contourf(R, Theta, T, 20, 'LineColor', 'none'); % Mapa de temperatura
colorbar;
hold on;

% Marcar los puntos de máxima variación (en rho=0 para todos los valores de theta)
plot(zeros(size(theta)), theta, 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 2);
num_flechas = 40; % Número de flechas a colocar (aumentado)
theta_step = floor(length(theta) / num_flechas); % Paso entre las flechas

for i = 1:num_flechas
% Elegir un valor de theta
idx = i * theta_step;
% Dibujamos las flechas de variación en la dirección positiva de rho
quiver(0, theta(idx), 0.2, 0, 'r', 'LineWidth', 1, 'MaxHeadSize', 1.5); % Flecha hacia la derecha, más finas
end

title('Temperatura y Dirección de Máxima Variación');
xlabel('\rho');
ylabel('\theta');
xlim([-1.5, 1.5]);
ylim([0, 10]);
hold off;

}}

== Campo de desplazamientos ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== Sólido antes y después del desplazamiento ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

[[Archivo:VonMisesapartado11campos.jpeg|450px||miniaturadeimagen|derecha| Tensión Von Mises ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la sección transversal
x = linspace(-1, 1, 200);
y = linspace(0, 10, 500);
[X, Y] = meshgrid(x, y);
rho = sqrt(X.^2 + Y.^2);
theta = atan2(Y, X);

% Componentes del tensor de tensiones en coordenadas polares
T_rr = rho .* cos(theta) .* sin(2 * pi * rho / 50);
T_rtheta = 3 * cos(theta) .* sin(2 * pi * rho / 50);
T_zz = T_rr;

% Inicializar los autovalores
sigma_1 = zeros(size(X));
sigma_2 = zeros(size(X));
sigma_3 = zeros(size(X));

% Calcular los autovalores en cada punto
for i = 1:size(X, 1)
for j = 1:size(X, 2)
% Construir el tensor de tensiones
stress_tensor = [T_rr(i, j), T_rtheta(i, j), 0;
T_rtheta(i, j), T_rr(i, j), 0;
0, 0, T_zz(i, j)];

% Calcular los autovalores
eigenvalues = eig(stress_tensor);
sigma_1(i, j) = eigenvalues(1);
sigma_2(i, j) = eigenvalues(2);
sigma_3(i, j) = eigenvalues(3);
end
end

% Calcular la tensión de Von Mises
VM = sqrt(0.5 * ((sigma_1 - sigma_2).^2 + (sigma_2 - sigma_3).^2 + (sigma_3 - sigma_1).^2));

% Encontrar el valor máximo y su posición
[VM_max, idx] = max(VM(:));
[max_row, max_col] = ind2sub(size(VM), idx);
max_x = X(max_row, max_col);
max_y = Y(max_row, max_col);

% Graficar en 3D
figure;
surf(X, Y, VM, 'EdgeColor', 'none'); % Gráfico de superficie
colormap('parula');
colorbar;
hold on;

% Asegurar que el punto rojo aparece en la gráfica
z_offset = VM_max + 0.01 * (max(VM(:)) - min(VM(:))); % Evitar problemas de superposición
plot3(max_x, max_y, z_offset, 'ro', 'MarkerSize', 10, 'MarkerFaceColor', 'r');

% Añadir texto para mayor claridad
text(max_x, max_y, z_offset, sprintf('VM Máx: %.2f', VM_max), 'Color', 'red', 'FontSize', 10);

% Personalizar el gráfico
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Tensión de Von Mises (VM)');
title('Distribución de Tensión de Von Mises en 3D');
legend(sprintf('Máximo VM: %.2f en (%.2f, %.2f)', VM_max, max_x, max_y), 'Location', 'best');
grid on;
view(45, 30); % Ajustar ángulo de la vista

}}

== Campo de fuerzas ==
El desplazamiento de la placa viene dado por un vector fuerza <math>\ \vec F </math> que actua en el interior de la placa, El cálculo de dicho vector de fuerzas se realiza haciendo una aproximación de la ecuación de la elasticidad lineal, que es : <math>\ \vec F = \nabla ·\sigma_{ij} </math>, es decir que habrá que aplicar la divergencia a la matriz del antes mencionado tensor tensiones
<math> \ \vec{F}_\rho = -\frac{\partial \sigma_{\rho \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\rho \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{\sigma_{\theta \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\rho = -\left( \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\rho = -\left(\frac{2\pi}{50}\cos(\theta) \cos\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\rho </math> 

<math> \ \vec{F}_\theta = -\frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{\sigma_{\rho \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\theta = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \theta} + \frac{0}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\theta = -\left(\frac{-3\sin(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\theta </math> 

<math> \ \vec{F}_z = -\frac{\partial \sigma_{z \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_z - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{z \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_z - \frac{\partial \sigma_{z z}}{\partial z} \cdot \vec{e}_z = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial z} \right) \cdot \vec{e}_z = 0 \cdot \vec{e}_z </math> 

Después de hacer la divergencia vemos que la fuerza no tiene componente \( \vec{F}_z \) ya que es nula es por eso que solo actuará en \( \vec{F}_\rho \) y \( \vec{F}_\theta \)

== Masa Total de la Placa ==
Queremos calcular la masa de la placa rectangular [−1,1]×[0,10]. La masa se obtiene integrando el campo escalar: <math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\tetha+π/2)))</math> (densidad de la placa) a lo largo de la superficie.
Como la placa es rectangular, la podemos parametrizar utilizando coordenadas cartesianas.<math> d(x, y)=(2-\sqrt{x^2+y^2})(4-\cos(4(\sqrt{x^2+y^2}+π/2)))</math>

<math> Masa=\int_{-1}^{1} \int_{0}^{10} (2−\sqrt{x^2+y^2})(4−cos(4(\sqrt{x^2+y^2}+\frac{\pi}{2}))dydx = -241.64 </math>

El resultado de la masa no puede ser negativo por lo que debe de haber un problema en la configuración del campo escalar (densidad).

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T18:34:07Z

Maria.gjunco: /* Masa Total de la Placa */

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como
<center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>
en cartesianas como
<center><math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

También, definimos la densidad de la placa como <center><math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\rho+π/2)))</math></center>

Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Estos desplazamientos se corresponden con el campo <math>\vec{u}(\rho, \theta)= \rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math> .

== Representación del mallado del sólido ==
[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]
Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== Dirección de la variación de temperatura ==

[[Archivo:Maximavariaciontempcolumna.jpeg|500 px|miniaturadeimagen|derecha| Variación de temperatura. ]]

{{matlab|codigo=
% Parámetros
rho = linspace(-1, 1, 200); % Rango correcto de rho
theta = linspace(0, 10, 200); % Rango de theta

% Crear una malla para rho y theta
[R, Theta] = meshgrid(rho, theta);

% Temperatura
T = sin(2 * pi * R);

% Gradiente de T con respecto a rho
dT_drho = 2 * pi * cos(2 * pi * R);

% Magnitud del gradiente
gradient_magnitude = abs(dT_drho);

% Dibujar la placa
figure;
contourf(R, Theta, T, 20, 'LineColor', 'none'); % Mapa de temperatura
colorbar;
hold on;

% Marcar los puntos de máxima variación (en rho=0 para todos los valores de theta)
plot(zeros(size(theta)), theta, 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 2);
num_flechas = 40; % Número de flechas a colocar (aumentado)
theta_step = floor(length(theta) / num_flechas); % Paso entre las flechas

for i = 1:num_flechas
% Elegir un valor de theta
idx = i * theta_step;
% Dibujamos las flechas de variación en la dirección positiva de rho
quiver(0, theta(idx), 0.2, 0, 'r', 'LineWidth', 1, 'MaxHeadSize', 1.5); % Flecha hacia la derecha, más finas
end

title('Temperatura y Dirección de Máxima Variación');
xlabel('\rho');
ylabel('\theta');
xlim([-1.5, 1.5]);
ylim([0, 10]);
hold off;

}}

== Campo de desplazamientos ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== Sólido antes y después del desplazamiento ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

[[Archivo:VonMisesapartado11campos.jpeg|450px||miniaturadeimagen|derecha| Tensión Von Mises ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la sección transversal
x = linspace(-1, 1, 200);
y = linspace(0, 10, 500);
[X, Y] = meshgrid(x, y);
rho = sqrt(X.^2 + Y.^2);
theta = atan2(Y, X);

% Componentes del tensor de tensiones en coordenadas polares
T_rr = rho .* cos(theta) .* sin(2 * pi * rho / 50);
T_rtheta = 3 * cos(theta) .* sin(2 * pi * rho / 50);
T_zz = T_rr;

% Inicializar los autovalores
sigma_1 = zeros(size(X));
sigma_2 = zeros(size(X));
sigma_3 = zeros(size(X));

% Calcular los autovalores en cada punto
for i = 1:size(X, 1)
for j = 1:size(X, 2)
% Construir el tensor de tensiones
stress_tensor = [T_rr(i, j), T_rtheta(i, j), 0;
T_rtheta(i, j), T_rr(i, j), 0;
0, 0, T_zz(i, j)];

% Calcular los autovalores
eigenvalues = eig(stress_tensor);
sigma_1(i, j) = eigenvalues(1);
sigma_2(i, j) = eigenvalues(2);
sigma_3(i, j) = eigenvalues(3);
end
end

% Calcular la tensión de Von Mises
VM = sqrt(0.5 * ((sigma_1 - sigma_2).^2 + (sigma_2 - sigma_3).^2 + (sigma_3 - sigma_1).^2));

% Encontrar el valor máximo y su posición
[VM_max, idx] = max(VM(:));
[max_row, max_col] = ind2sub(size(VM), idx);
max_x = X(max_row, max_col);
max_y = Y(max_row, max_col);

% Graficar en 3D
figure;
surf(X, Y, VM, 'EdgeColor', 'none'); % Gráfico de superficie
colormap('parula');
colorbar;
hold on;

% Asegurar que el punto rojo aparece en la gráfica
z_offset = VM_max + 0.01 * (max(VM(:)) - min(VM(:))); % Evitar problemas de superposición
plot3(max_x, max_y, z_offset, 'ro', 'MarkerSize', 10, 'MarkerFaceColor', 'r');

% Añadir texto para mayor claridad
text(max_x, max_y, z_offset, sprintf('VM Máx: %.2f', VM_max), 'Color', 'red', 'FontSize', 10);

% Personalizar el gráfico
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Tensión de Von Mises (VM)');
title('Distribución de Tensión de Von Mises en 3D');
legend(sprintf('Máximo VM: %.2f en (%.2f, %.2f)', VM_max, max_x, max_y), 'Location', 'best');
grid on;
view(45, 30); % Ajustar ángulo de la vista

}}

== Campo de fuerzas ==
El desplazamiento de la placa viene dado por un vector fuerza <math>\ \vec F </math> que actua en el interior de la placa, El cálculo de dicho vector de fuerzas se realiza haciendo una aproximación de la ecuación de la elasticidad lineal, que es : <math>\ \vec F = \nabla ·\sigma_{ij} </math>, es decir que habrá que aplicar la divergencia a la matriz del antes mencionado tensor tensiones
<math> \ \vec{F}_\rho = -\frac{\partial \sigma_{\rho \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\rho \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{\sigma_{\theta \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\rho = -\left( \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\rho = -\left(\frac{2\pi}{50}\cos(\theta) \cos\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\rho </math> 

<math> \ \vec{F}_\theta = -\frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{\sigma_{\rho \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\theta = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \theta} + \frac{0}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\theta = -\left(\frac{-3\sin(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\theta </math> 

<math> \ \vec{F}_z = -\frac{\partial \sigma_{z \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_z - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{z \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_z - \frac{\partial \sigma_{z z}}{\partial z} \cdot \vec{e}_z = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial z} \right) \cdot \vec{e}_z = 0 \cdot \vec{e}_z </math> 

Después de hacer la divergencia vemos que la fuerza no tiene componente \( \vec{F}_z \) ya que es nula es por eso que solo actuará en \( \vec{F}_\rho \) y \( \vec{F}_\theta \)

== Masa Total de la Placa ==
Queremos calcular la masa de la placa rectangular [−1,1]×[0,10]. La masa se obtiene integrando el campo escalar: <math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\rho+π/2)))</math> (densidad de la placa) a lo largo de la superficie.
Como la placa es rectangular, la podemos parametrizar utilizando coordenadas cartesianas.<math> d(x, y)=(2-\sqrt{x^2+y^2})(4-\cos(4(\sqrt{x^2+y^2}+π/2)))</math>

<math> Masa=\int_{-1}^{1} \int_{0}^{10} (2−\sqrt{x^2+y^2})(4−cos(4(\sqrt{x^2+y^2}+\frac{\pi}{2}))dydx = -241.64 </math>

El resultado de la masa no puede ser negativo por lo que debe de haber un problema en la configuración del campo escalar (densidad).

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T17:14:59Z

Maria.gjunco:

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como
<center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>
en cartesianas como
<center><math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

También, definimos la densidad de la placa como <center><math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\rho+π/2)))</math></center>

Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Estos desplazamientos se corresponden con el campo <math>\vec{u}(\rho, \theta)= \rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math> .

== Representación del mallado del sólido ==
[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]
Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== (titulo 4) ==
== (titulo 5) ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== (titulo 6) ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

== Campo de fuerzas ==
El desplazamiento de la placa viene dado por un vector fuerza <math>\ \vec F </math> que actua en el interior de la placa, El cálculo de dicho vector de fuerzas se realiza haciendo una aproximación de la ecuación de la elasticidad lineal, que es : <math>\ \vec F = \nabla ·\sigma_{ij} </math>, es decir que habrá que aplicar la divergencia a la matriz del antes mencionado tensor tensiones
<math> \ \vec{F}_\rho = -\frac{\partial \sigma_{\rho \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\rho \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{\sigma_{\theta \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\rho = -\left( \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\rho = -\left(\frac{2\pi}{50}\cos(\theta) \cos\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\rho </math> 

<math> \ \vec{F}_\theta = -\frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{\sigma_{\rho \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\theta = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \theta} + \frac{0}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\theta = -\left(\frac{-3\sin(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\theta </math> 

<math> \ \vec{F}_z = -\frac{\partial \sigma_{z \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_z - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{z \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_z - \frac{\partial \sigma_{z z}}{\partial z} \cdot \vec{e}_z = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial z} \right) \cdot \vec{e}_z = 0 \cdot \vec{e}_z </math> 

Después de hacer la divergencia vemos que la fuerza no tiene componente \( \vec{F}_z \) ya que es nula es por eso que solo actuará en \( \vec{F}_\rho \) y \( \vec{F}_\theta \)

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T17:14:21Z

Maria.gjunco:

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como
<center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>
en cartesianas como
<center><math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

También, definimos la densidad de la placa como <center><math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\rho+π/2)))</math></center>

Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Estos desplazamientos se corresponden con el campo <math>\vec{u}(\rho, \theta)= \rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math> .

[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]

== Representación del mallado del sólido ==

Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== (titulo 4) ==
== (titulo 5) ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== (titulo 6) ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

== Campo de fuerzas ==
El desplazamiento de la placa viene dado por un vector fuerza <math>\ \vec F </math> que actua en el interior de la placa, El cálculo de dicho vector de fuerzas se realiza haciendo una aproximación de la ecuación de la elasticidad lineal, que es : <math>\ \vec F = \nabla ·\sigma_{ij} </math>, es decir que habrá que aplicar la divergencia a la matriz del antes mencionado tensor tensiones
<math> \ \vec{F}_\rho = -\frac{\partial \sigma_{\rho \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\rho \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{\sigma_{\theta \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\rho = -\left( \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\rho = -\left(\frac{2\pi}{50}\cos(\theta) \cos\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\rho </math> 

<math> \ \vec{F}_\theta = -\frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{\sigma_{\rho \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\theta = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \theta} + \frac{0}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\theta = -\left(\frac{-3\sin(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\theta </math> 

<math> \ \vec{F}_z = -\frac{\partial \sigma_{z \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_z - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{z \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_z - \frac{\partial \sigma_{z z}}{\partial z} \cdot \vec{e}_z = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial z} \right) \cdot \vec{e}_z = 0 \cdot \vec{e}_z </math> 

Después de hacer la divergencia vemos que la fuerza no tiene componente \( \vec{F}_z \) ya que es nula es por eso que solo actuará en \( \vec{F}_\rho \) y \( \vec{F}_\theta \)

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T17:13:44Z

Maria.gjunco:

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como
<center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>
en cartesianas como
<center><math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

También, definimos la densidad de la placa como <center><math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\rho+π/2)))</math></center>

Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Estos desplazamientos se corresponden con el campo <math>\vec{u}(\rho, \theta)= \rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math>

[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]

== Representación del mallado del sólido ==

Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== (titulo 4) ==
== (titulo 5) ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== (titulo 6) ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

== Campo de fuerzas ==
El desplazamiento de la placa viene dado por un vector fuerza <math>\ \vec F </math> que actua en el interior de la placa, El cálculo de dicho vector de fuerzas se realiza haciendo una aproximación de la ecuación de la elasticidad lineal, que es : <math>\ \vec F = \nabla ·\sigma_{ij} </math>, es decir que habrá que aplicar la divergencia a la matriz del antes mencionado tensor tensiones
<math> \ \vec{F}_\rho = -\frac{\partial \sigma_{\rho \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\rho \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{\sigma_{\theta \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\rho = -\left( \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\rho = -\left(\frac{2\pi}{50}\cos(\theta) \cos\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\rho </math> 

<math> \ \vec{F}_\theta = -\frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{\sigma_{\rho \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\theta = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \theta} + \frac{0}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\theta = -\left(\frac{-3\sin(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\theta </math> 

<math> \ \vec{F}_z = -\frac{\partial \sigma_{z \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_z - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{z \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_z - \frac{\partial \sigma_{z z}}{\partial z} \cdot \vec{e}_z = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial z} \right) \cdot \vec{e}_z = 0 \cdot \vec{e}_z </math> 

Después de hacer la divergencia vemos que la fuerza no tiene componente \( \vec{F}_z \) ya que es nula es por eso que solo actuará en \( \vec{F}_\rho \) y \( \vec{F}_\theta \)

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T17:13:12Z

Maria.gjunco:

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como
<center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>
en cartesianas como
<math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

También, definimos la densidad de la placa como <center><math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\rho+π/2)))</math></center>

Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Estos desplazamientos se corresponden con el campo <math>\vec{u}(\rho, \theta)= \rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math>

[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]

== Representación del mallado del sólido ==

Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== (titulo 4) ==
== (titulo 5) ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== (titulo 6) ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

== Campo de fuerzas ==
El desplazamiento de la placa viene dado por un vector fuerza <math>\ \vec F </math> que actua en el interior de la placa, El cálculo de dicho vector de fuerzas se realiza haciendo una aproximación de la ecuación de la elasticidad lineal, que es : <math>\ \vec F = \nabla ·\sigma_{ij} </math>, es decir que habrá que aplicar la divergencia a la matriz del antes mencionado tensor tensiones
<math> \ \vec{F}_\rho = -\frac{\partial \sigma_{\rho \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\rho \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{\sigma_{\theta \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\rho = -\left( \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\rho = -\left(\frac{2\pi}{50}\cos(\theta) \cos\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\rho </math> 

<math> \ \vec{F}_\theta = -\frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{\sigma_{\rho \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\theta = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \theta} + \frac{0}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\theta = -\left(\frac{-3\sin(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\theta </math> 

<math> \ \vec{F}_z = -\frac{\partial \sigma_{z \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_z - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{z \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_z - \frac{\partial \sigma_{z z}}{\partial z} \cdot \vec{e}_z = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial z} \right) \cdot \vec{e}_z = 0 \cdot \vec{e}_z </math> 

Después de hacer la divergencia vemos que la fuerza no tiene componente \( \vec{F}_z \) ya que es nula es por eso que solo actuará en \( \vec{F}_\rho \) y \( \vec{F}_\theta \)

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T17:12:14Z

Maria.gjunco:

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como
<center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>
en cartesianas como
<center><math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

También, definimos la densidad de la placa como <math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\rho+π/2)))</math></center>

Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Estos desplazamientos se corresponden con el campo <math>\vec{u}(\rho, \theta)= \rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math>

[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]

== Representación del mallado del sólido ==

Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== (titulo 4) ==
== (titulo 5) ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== (titulo 6) ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

== Campo de fuerzas ==
El desplazamiento de la placa viene dado por un vector fuerza <math>\ \vec F </math> que actua en el interior de la placa, El cálculo de dicho vector de fuerzas se realiza haciendo una aproximación de la ecuación de la elasticidad lineal, que es : <math>\ \vec F = \nabla ·\sigma_{ij} </math>, es decir que habrá que aplicar la divergencia a la matriz del antes mencionado tensor tensiones
<math> \ \vec{F}_\rho = -\frac{\partial \sigma_{\rho \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\rho \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{\sigma_{\theta \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\rho = -\left( \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\rho = -\left(\frac{2\pi}{50}\cos(\theta) \cos\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\rho </math> 

<math> \ \vec{F}_\theta = -\frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{\sigma_{\rho \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\theta = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \theta} + \frac{0}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\theta = -\left(\frac{-3\sin(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\theta </math> 

<math> \ \vec{F}_z = -\frac{\partial \sigma_{z \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_z - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{z \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_z - \frac{\partial \sigma_{z z}}{\partial z} \cdot \vec{e}_z = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial z} \right) \cdot \vec{e}_z = 0 \cdot \vec{e}_z </math> 

Después de hacer la divergencia vemos que la fuerza no tiene componente \( \vec{F}_z \) ya que es nula es por eso que solo actuará en \( \vec{F}_\rho \) y \( \vec{F}_\theta \)

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T17:05:19Z

Maria.gjunco:

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como <center><math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center> <center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>

También, definimos la densidad de la placa como <math> d(\rho, \theta)=(2-\rho)(4-\cos(4(\rho+π/2)))</math></center>

Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Estos desplazamientos se corresponden con el campo <math>\vec{u}(\rho, \theta)= \rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math>

[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]

== Representación del mallado del sólido ==

Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== (titulo 4) ==
== (titulo 5) ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== (titulo 6) ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

== Campo de fuerzas ==
El desplazamiento de la placa viene dado por un vector fuerza <math>\ \vec F </math> que actua en el interior de la placa, El cálculo de dicho vector de fuerzas se realiza haciendo una aproximación de la ecuación de la elasticidad lineal, que es : <math>\ \vec F = \nabla ·\sigma_{ij} </math>, es decir que habrá que aplicar la divergencia a la matriz del antes mencionado tensor tensiones
<math> \ \vec{F}_\rho = -\frac{\partial \sigma_{\rho \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\rho \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\rho - \frac{\sigma_{\theta \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\rho = -\left( \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\rho = -\left(\frac{2\pi}{50}\cos(\theta) \cos\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) + \frac{3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\rho </math> 

<math> \ \vec{F}_\theta = -\frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_\theta - \frac{\sigma_{\rho \theta}}{\rho} \cdot \vec{e}_\theta = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial \theta} + \frac{0}{\rho} \right) \cdot \vec{e}_\theta = -\left(\frac{-3\sin(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\rho}\right) \cdot \vec{e}_\theta </math> 

<math> \ \vec{F}_z = -\frac{\partial \sigma_{z \rho}}{\partial \rho} \cdot \vec{e}_z - \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{z \theta}}{\partial \theta} \cdot \vec{e}_z - \frac{\partial \sigma_{z z}}{\partial z} \cdot \vec{e}_z = -\left( \frac{\partial 0}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial 0}{\partial \theta} + \frac{\partial \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)}{\partial z} \right) \cdot \vec{e}_z = 0 \cdot \vec{e}_z </math> 

Después de hacer la divergencia vemos que la fuerza no tiene componente \( \vec{F}_z \) ya que es nula es por eso que solo actuará en \( \vec{F}_\rho \) y \( \vec{F}_\theta \)

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T16:53:07Z

Maria.gjunco:

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

intro
Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como <center><math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center> <center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>
Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Estos desplazamientos se corresponden con el campo <math>\vec{u}(\rho, \theta)= \rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math>

e_\vec{\theta}
\rho \theta

<center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>

[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]

== Representación del mallado del sólido ==

Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== (titulo 4) ==
== (titulo 5) ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== (titulo 6) ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

== Campo de fuerzas ==
El campo de fuerzas \( \mathbf{F} \) que actúa sobre la placa (y que causa el desplazamiento observado) se aproxima mediante la ecuación de la elasticidad lineal:
<math> \ \vec{F} = -\nabla \cdot \sigma donde \( \sigma \) es el tensor de tensiones dado por:
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\
0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Para calcular el campo de fuerzas, primero obtenemos la divergencia del tensor \( \sigma \). Esto implica calcular las derivadas parciales de las componentes diagonales

<math> \ \vec{F} = -\nabla \cdot \sigma = -\left( \frac{\partial \sigma_{\rho\rho}}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial \sigma_{\rho\theta}}{\partial \theta} + \frac{\sigma_{\rho\rho} - \sigma_{\theta\theta}}{\rho} \right) \vec{e}_\rho -\left( \frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} + \frac{\sigma_{\theta \rho} + \sigma_{\rho\theta}}{\rho} \right) \vec{e}_\theta -\left( \frac{\partial \sigma_{z\rho}}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial \sigma_{z\theta}}{\partial \theta} + \frac{\partial \sigma_{zz}}{\partial z} \right) \vec{e}_z. </math>

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-12-09T16:45:16Z

Maria.gjunco:

{{ TrabajoED | Deformaciones de una columna . Grupo 28 | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2024-25]] |
*Mateo Navarro Díaz
*María Victoria González Junco
*Fernando Benítez Pérez
*Rodrigo Prado Fornos
*Claudia Elimar Manrique }}

[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC24/25]]

intro
Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 10]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como <center><math> T(x, y)=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center> <center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>
Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(\rho, \theta)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada.
Definiendo <math>\vec{u}(\rho, \theta)=

\rho sin(\theta)sin(2π\rho/50)e_\vec{\theta}</math> como vector posición de los puntos de la placa antes de la de- formación, la posición de cada punto después de la deformación viene dada por:

e_\vec{\theta}
\rho \theta

<center><math> T(\rho, \theta)=\sin(2π\rho)</math></center>

[[Archivo:Mallado Placa.png|944 × 766px|miniaturadeimagen|derecha|Mallado de la placa]]

== Representación del mallado del sólido ==

Definimos el mallado que representa el interior del sólido mediante dos vectores x e y los cuales representan el intervalo en el que está definida nuestra placa, tomando un muestreo h=1/10. Al crear la malla, al representarla con el comando ''surf'', tenemos que tener en cuenta que es plana dando valor 0 a la altura de los puntos de la misma.

{{matlab|codigo=
h=0.1; %muestreo
x=-1:h:1; %eje x de la placa
y=0:h:10; %eje y de la placa
[xx,yy]=meshgrid(x,y); %mallado de la placa
figure(1)
surf(xx,yy,0*xx); %representación de la placa
axis([-2,2,0,10]) %ejes del rectángulo
view(2)

}}

==Gradiente de la temperatura==
El cálculo del gradiente de un campo escalar se expresa como la derivada parcial respecto de cada coordenada de dicho campo en función de la base ortonormal orientada positiva <math>\vec{i},\vec{j},\vec{k}</math> (COORDENADAS CARTESIANAS). Es decir:
<center><math> \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}</math></center>

<center><math> T=\sin(2π\sqrt{x^2 + y^2})</math></center>

<center><math> \nabla T=\frac{2πx cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{i}+\frac{2πy cos(2π\sqrt{x^2 + y^2})}{\sqrt{x^2 + y^2}}\vec{j}</math></center>

A continuación se muestra el código completo de matlab, del cual resultan las siguientes imágenes en las que podemos ver las curvas de nivel y donde se encuentra su máximo y mínimo, a partir de los colores de las gráficas y a partir de el propio matlab. Este nos índica al ejecutar el programa que el máximo es: 0.99996
[[Archivo:Ctempcnivel.jpg|1120 × 840px|miniaturadeimagen|C.Temperatura C.Nivel]]

{{matlab|codigo=
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:10.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
surf(X,Y,T); %DEGRADACIÓN DE COLORES
axis ([-1,1,-0.5,10.5])
view(2)
colorbar %BARRA DE COLORES
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,11);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,10.5]);
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,10.5])
view(2)
%CURVAS DE NIVEL ENUMERADAS
[M,c]=contour(X,Y,T,[0:0.75:10],'ShowText','on')
%TÍTULO TERCERA GRÁFICA Y EJES
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
}}

A continuación, se va a demostrar como el gradiente, previamente calculado, es perpendicular a las líneas de nivel anteriores.
Al no verse claro en la imagen original, con la cantidad de líneas de flujo, se opta por aplicar un zoom para una correcta visualización.

[[Archivo:Gradtemp3.jpeg|400px|centro|thumb|Mallado de la placa]]

{{matlab|codigo=
clear;clc;
h = 2/10; %MUESTREO
x = [-1:h:1]; %DOMINIO DE X
y = [0:h:12]; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); %CREACIÓN DEL MALLADO
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2))); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE X
dy=2*pi*Y.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2); %PARCIAL DE Y
%TÍTULO Y EJES
title('Gradiente de temperatura');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
% Representación de la temperatura y las curvas de nivel
hold on
quiver(x,y,dx,dy);
axis equal
colorbar
}}

==Ley de Fourier==
Gracias al segundo principio de la termodinámica conocemos el calor emitido por dos focos, uno cálido y otro frío, solo puede ir en un sentido, de mayor a menor calor.
Y la ley expresada por el matemático y físico Jean-Baptiste Joseph Fourier trata de establecer una relación entre la distancia, tiempo y el flujo de calor entre focos. Dicha ley viene expresada <math>\vec{Q}=−K∇T</math>, donde K es la constante de conductividad térmica que dependerá del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por K el valor asociado 1.

Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.

[[Archivo:enercalorif2.png|1254 × 1247px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]

{{matlab|codigo=

clear;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:10];
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
T=sin(2.*pi.*(sqrt(X.^2+Y.^2)));
%Curvas de nivel
contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
dx=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
dy=2*pi*X.*cos(2.*pi.*sqrt(X.^2+Y.*2))./sqrt(X.^2+Y.*2);
%Constante de conductividad térmica y ley de Fourier
k=1;
Q1=-k.*(dx);
Q2=-k.*(dy);
%Representación del campo vectorial
quiver(x,y,Q1,Q2,'r');
axis equal;
hold off
%Título y nombre de los ejes
title('Energía calorífica');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
}}

== (titulo 4) ==
== (titulo 5) ==

[[Archivo:Campodesplazamientoscolumnag28.jpeg|500px||miniaturadeimagen|derecha| Campo de desplazamientos y puntos fijos. ]]

{{matlab|codigo=
% Definir la malla
h = 0.3;
x = -1:h:1;
y = 0:h:10;

% Crear la malla en coordenadas cartesianas
[Mx, My] = meshgrid(x, y);

% Convertir a coordenadas cilíndricas
rho = sqrt(Mx.^2 + My.^2);
theta = atan2(My, Mx);

% Desplazamiento en coordenadas cilíndricas
u_theta = rho .* sin(theta) .* sin((2 * pi * rho) / 50); % Componente en theta

% Convertir a coordenadas cartesianas
up = u_theta .* (-sin(theta)); % Componente en x
uth = u_theta .* cos(theta); % Componente en y

% Graficar el campo de desplazamientos (flechas)
figure;
h_quiver = quiver(Mx, My, up, uth, 1.5, 'Color', [0, 0, 1], 'AutoScale', 'on', 'LineWidth', 0.5);
h_quiver.AutoScaleFactor = 2.5;

hold on;

% Graficar la región [−1, 1] × [0, 10]
plot([-1 1], [0 0], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 1], [10 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([-1 -1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
plot([1 1], [0 10], 'k', 'LineWidth', 2);
% Etiquetas y título
axis equal;
axis([-2, 2, -0.5, 12.5]);
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
title('Campo de Desplazamientos de la Columna');

% Detectar puntos fijos (donde los desplazamientos son cero)
fixed_points = (u_theta == 0); % Puntos fijos cuando u_theta = 0

% Graficar los puntos fijos (solo aquellos donde u_theta es cero)
h_points = plot(Mx(fixed_points), My(fixed_points), 'ro', 'MarkerFaceColor', 'r', 'MarkerSize', 4);
legend([h_quiver, h_points], {'Campo de desplazamientos', 'Puntos fijos'}, 'Location', 'best');
grid on;
hold off;
}}

== (titulo 6) ==

{{matlab|codigo=
%Parametrizacion con muestreo h=1/10
h=0.1;rho=-1:h:1;tt=0:h:10;
%Mallado
[Mrho,Mtt]=meshgrid(rho,tt);
%Campo de vectores en t=0
rdrho=Mrho;
rdtt=Mrho.*sin(Mtt).*sin(Mrho.*2*pi./50);
%Graficar solido antes del desplazamiento
subplot(1,2,1);
mesh(Mrho,Mtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
title('Solido antes del desplazamiento');
xlabel('Eje de las X');
ylabel('Eje de las Y');
view(2);
%Graficar solido despues del desplazamiento
subplot(1,2,2);
mesh(rdrho,rdtt,Mrho.*0);
axis equal
axis([-1.5,1.5,-0.5,10]);
}}

== Divergencia del campo de desplazamientos ==

La divergencia de un campo vectorial es una medida de la cantidad de flujo que sale o entra en un punto de la región definida.

En este caso la divergencia resultante es <math>
\nabla\cdot\vec u = cosθsin( \frac{2πρ}{50})\
</math>

Puntos mínimo y máximo de la divergencia : <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial θ}=0 </math> ; <math> \frac{\partial \nabla\cdot\vec u}{\partial ρ }=0 </math>

Mínimo(θ,ρ)=(0,-1) ; Máximo(θ,ρ)=(0,1)

Punto nulo de la divergencia : <math> \nabla\cdot\vec u = 0 </math> ; si ρ=0 el <math> sin( \frac{2πρ}{50})\ = 0 </math> lo que anularía el valor de la divergencia.

[[Archivo:Divergenciacolumna.g28.jpg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

[[Archivo:Divergenciacolumna2.g28.jpeg|600 px|miniaturadeimagen|derecha|Divergencia]]

{{matlab|codigo=

% Definición de la malla en coordenadas cartesianas
x = -1:0.2:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Conversión de la malla cartesiana (x, y) a coordenadas cilíndricas (r, theta)
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en coordenadas cilíndricas

% Definir la divergencia en coordenadas cilíndricas
diver = cos(theta) .* sin(2 * pi * r / 50);

% Encontrar los puntos de divergencia máxima, mínima y nula
[minVal, minIdx] = min(diver(:)); % Valor mínimo y su índice lineal
[maxVal, maxIdx] = max(diver(:)); % Valor máximo y su índice lineal
nullIdx = find(abs(diver) < 1e-6); % Índices donde la divergencia es nula (aproximación)

% Convertir los índices lineales a índices de matriz (para la malla)
[rowMin, colMin] = ind2sub(size(diver), minIdx); % Índices del mínimo
[rowMax, colMax] = ind2sub(size(diver), maxIdx); % Índices del máximo
[rowNull, colNull] = ind2sub(size(diver), nullIdx); % Índices donde la divergencia es nula

% Coordenadas correspondientes en (x, y)
minPoint = [xx(rowMin, colMin), yy(rowMin, colMin)];
maxPoint = [xx(rowMax, colMax), yy(rowMax, colMax)];
nullPoints = [xx(rowNull, colNull), yy(rowNull, colNull)];

% Mostrar los resultados
fprintf('Divergencia mínima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', minVal, minPoint(1), minPoint(2));
fprintf('Divergencia máxima:\n Valor: %.3f, Punto: (%.3f, %.3f)\n', maxVal, maxPoint(1), maxPoint(2));
fprintf('Divergencia nula en %d puntos:\n', size(nullPoints, 1));
disp(nullPoints);

% Representación de la divergencia
figure;
surf(xx, yy, diver); % Malla original, pero con valores de divergencia corregidos
shading interp; % Suavizado
colorbar; % Barra de colores
hold on;

% Marcar los puntos de interés
plot3(minPoint(1), minPoint(2), minVal, 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r'); % Mínimo
plot3(maxPoint(1), maxPoint(2), maxVal, 'go', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'g'); % Máximo
for i = 1:size(nullPoints, 1) % Marcar puntos nulos
plot3(nullPoints(i, 1), nullPoints(i, 2), 0, 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
end

% Etiquetas del gráfico
title('Divergencia en coordenadas cilíndricas con puntos de interés');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('Divergencia');
legend('Divergencia', 'Mínimo', 'Máximo', 'Nulo');
}}

== Rotacional del campo ==

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
u_{\rho } & \rho u_{\theta } & u_{z}
\end{vmatrix} </math>

Aplicando nuestro campo escalar, obtenemos:

*<math>\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)=\frac{1}{\rho}\begin{vmatrix}
\vec{e}_{\rho} & \rho \vec{e}_{\theta } & \vec{e}_{z}\\
\frac{\partial }{\partial \rho } & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z}\\
0 & p^2 sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) & 0
\end{vmatrix} = (2sin(\theta)sin( \frac{2πρ}{50}) + psin(\theta)cos( \frac{2πρ}{50})*\frac{2πρ}{50})\vec{e}_{z}\\ </math>

*<math>\left \|\triangledown \times \vec{u}(\rho,\theta,z)\right \| = sin(\theta)\sqrt{4sin^2(\frac{2πρ}{50})+p^2cos^2(\frac{2πρ}{50})*\frac{4π^2}{50^2}+4psin(\frac{2πρ}{50})cos(\frac{2πρ}{50})*\frac{2π}{50}} </math>

[[Archivo:Rotacionalcolumnag28.jpeg|600px||miniaturadeimagen|derecha| Rotacional ]]
{{matlab|codigo=

% Dimensiones de la sección transversal
x = -1:0.1:1; % Coordenadas x
y = 0:0.1:10; % Coordenadas y
[xx, yy] = meshgrid(x, y);

% Convertir coordenadas cartesianas a cilíndricas
r = sqrt(xx.^2 + yy.^2); % Radio en coordenadas cilíndricas
theta = atan2(yy, xx); % Ángulo en radianes (atan2 para cuadrante correcto)

% Definir los límites de r y theta
r(r == 0) = eps; % Evitar división por cero en r

% Cálculo del rotacional
% (nabla x u)_z = 2 * sin(theta) * sin(2*pi*r/50) + (2*pi*r/50) * sin(theta) * cos(2*pi*r/50)
rot_z = 2 .* sin(theta) .* sin(2 * pi * r / 50) + (2 * pi * r / 50) .* sin(theta) .* cos(2 * pi * r / 50);

% Calcular el valor absoluto del rotacional
abs_rot_z = abs(rot_z);

% Representación gráfica del valor absoluto del rotacional
figure;
contourf(xx, yy, abs_rot_z, 20, 'LineColor', 'none'); % Gráfico de contornos rellenos
colorbar; % Barra de colores
title('Valor absoluto del rotacional (∇ × ⃗u_z) en la sección transversal');
xlabel('x (m)');
ylabel('y (m)');

% Añadir información sobre los ejes
hold on;
quiver(xx, yy, -yy ./ r, xx ./ r, 0.5, 'k'); % Direcciones del campo vectorial (rotacional)
hold off;
}}

== Tensiones Normales ==
El tensor de tensiones <math>σ_{ij}</math> se puede escribir a través de la fórmula: <center> <math>σ = λ∇ · \vec{u} 1 + 2µϵ</math></center>
Donde <math>ϵ(\vec{u})= (∇\vec{u} + ∇\vec{u}^t)/2 </math>, es la parte simétrica del tensor gradiente de <math> \vec{u}</math>.

Empezaremos calculando <center><math>ε(\vec u)=
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0\\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0
\end{pmatrix}</math> </center>
 
<center><math>σ=λ\nabla·\vec u 1+2με = λ*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})·\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + 2μ\begin{pmatrix}0 & 0 & 0 \\ 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} </math>

<math>= cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) (\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 2μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}) = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} λ & 0 & 0\\ 0 & 2μ+λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix}→{λ=μ=1}→cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}</math></center>

Las tensiones normales en la dirección de los ejes <math>(\vec e_ρ,\vec e_\theta,\vec e_z)</math> son:

::* <math>\vec e_ρ · σ ·\vec e_\rho = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 1 \\0 \\ 0 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::*<math>\vec e_\theta · σ ·\vec e_\theta = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\1 \\ 0 \end{pmatrix} = 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

::* <math>\vec e_z · σ ·\vec e_z = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 & 0\\ 0 & 3*cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) & 0 \\ 0 & 0 & cos(\theta)sin(\frac{2\pi*p}{50}) \end{pmatrix}·\begin{pmatrix} 0 \\0 \\ 1 \end{pmatrix} = cos(\theta)sin(\frac{2\pi*\rho}{50}) </math>

== Tensiones tangenciales al plano ortogonal al \( \vec{e_\rho} \)==
Para calcular las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a \( \vec{e_\rho} \), utilizaremos la fórmula:<math>\ \left| \sigma ·\vec i -(\vec i·\sigma·\vec i)\vec i \right| </math>. en la que sustituiremos \(\vec{i}\) por \( \vec{e_\rho} \)

Entonces para comenzar a operar sabemos que el tensor tensiones es el:
σ=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\ 0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto \( \sigma \cdot \vec{e_\rho} \):=\begin{pmatrix}\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}
y luego el segundo sumando \((\vec{e_\rho} \cdot \sigma \cdot \vec{e_\rho}) \vec{e_\rho}\)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}

Finalmente, restamos para obtener las tensiones por medio de la fórmula \( \vec{\tau} \)=
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
-
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) \\
0 \\
0
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix}.

Por lo tanto, no existen tensiones tangenciales no nulas en este caso.

== Tensión de Von Mises ==

La tensión de Von Mises se define mediante la fórmula: <math> \sigma_{VM} = \sqrt{ \frac { ( \sigma_1 - \sigma_2 )^2 + ( \sigma_2 - \sigma_3 )^2 + ( \sigma_3 - \sigma_1 )^2 }{2} }</math>; 
donde \( \sigma_1 \), \( \sigma_2 \), y \( \sigma_3 \) son los autovalores del tensor de tensiones \( \sigma \).

Este resultado permite calcular la tensión de Von Mises indicando los puntos donde la tensión alcanza valores máximos y así podemos determinar si un material soportará las cargas aplicadas o si llegará a fallar.

== Campo de fuerzas ==
El campo de fuerzas \( \mathbf{F} \) que actúa sobre la placa (y que causa el desplazamiento observado) se aproxima mediante la ecuación de la elasticidad lineal:
<math> \ \vec{F} = -\nabla \cdot \sigma donde \( \sigma \) es el tensor de tensiones dado por:
\begin{pmatrix}
\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 & 0 \\
0 & 3\cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right) & 0 \\
0 & 0 & \cos(\theta) \sin\left(\frac{2\pi \rho}{50}\right)
\end{pmatrix}.

Para calcular el campo de fuerzas, primero obtenemos la divergencia del tensor \( \sigma \). Esto implica calcular las derivadas parciales de las componentes diagonales

<math> \ \vec{F} = -\nabla \cdot \sigma = -\left( \frac{\partial \sigma_{\rho\rho}}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial \sigma_{\rho\theta}}{\partial \theta} + \frac{\sigma_{\rho\rho} - \sigma_{\theta\theta}}{\rho} \right) \vec{e}_\rho -\left( \frac{\partial \sigma_{\theta \rho}}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial \sigma_{\theta \theta}}{\partial \theta} + \frac{\sigma_{\theta \rho} + \sigma_{\rho\theta}}{\rho} \right) \vec{e}_\theta -\left( \frac{\partial \sigma_{z\rho}}{\partial \rho} + \frac{1}{\rho} \frac{\partial \sigma_{z\theta}}{\partial \theta} + \frac{\partial \sigma_{zz}}{\partial z} \right) \vec{e}_z. </math>

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-30T18:44:25Z

Maria.gjunco: /* Gradiente de la temperatura */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-30T18:34:25Z

Maria.gjunco: /* Gradiente de la temperatura */

Archivo:Gradtemp3.jpeg

2024-11-30T18:32:37Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-30T18:29:41Z

Maria.gjunco: /* Gradiente de la temperatura */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-30T18:14:13Z

Maria.gjunco: /* Representación del mallado del sólido */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:29:51Z

Maria.gjunco: /* Ley de Fourier */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:29:27Z

Maria.gjunco: /* Gradiente de la temperatura */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:28:56Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:28:18Z

Maria.gjunco:

Archivo:Enercalorif2.png

2024-11-28T18:26:59Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:21:25Z

Maria.gjunco: /* Ley de Fourier */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:17:05Z

Maria.gjunco: /* Representación del mallado del sólido */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:16:40Z

Maria.gjunco: /* Representación del mallado del sólido */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:15:35Z

Maria.gjunco: /* Gradiente de la temperatura */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:15:13Z

Maria.gjunco: /* Gradiente de la temperatura */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:14:54Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:12:46Z

Maria.gjunco: /* Representación del mallado del sólido */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:12:11Z

Maria.gjunco: /* Representación del mallado del sólido */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T18:11:12Z

Maria.gjunco: /* Gradiente de la temperatura */

Archivo:Gradtemp2.jpg

2024-11-28T18:06:22Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:58:04Z

Maria.gjunco: /* Gradiente de la temperatura */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:48:23Z

Maria.gjunco: /* Gradiente de la temperatura */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:46:41Z

Maria.gjunco: /* Gradiente de la temperatura */

Archivo:Ctempcnivel.jpg

2024-11-28T17:44:56Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:39:27Z

Maria.gjunco: /* Gradiente de la temperatura */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:38:44Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:16:11Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:15:45Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:14:28Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:14:07Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:13:47Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:12:39Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:11:52Z

Maria.gjunco: /* Representación del mallado del sólido */

Archivo:Mallado Placa.png

2024-11-28T17:06:04Z

Maria.gjunco:

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:05:24Z

Maria.gjunco: /* Representación del mallado del sólido */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T17:02:24Z

Maria.gjunco: /* Representación del mallado del sólido */

Deformaciones de una columna.Grupo 28

2024-11-28T16:59:02Z

Maria.gjunco:

Archivo:Malladof1.png

2024-11-28T16:50:47Z

Maria.gjunco: