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(Cálculo de tensiones tangenciales)
(Velocidad de propagación)
 
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{{ TrabajoED | Visualización de campos escalares y vectoriales en elasticidad | [[:Categoría: Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2023-24]] | Alisson Estefania Simbaña Coray
+
{{ TrabajoED | Visualización de campos escalares y vectoriales en elasticidad | [[:Categoría: Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC23/24|2023-24]] |  
Alba Xiyi Montoro Poveda  
+
* Alisson Estefania Simbaña Coray
Daniel Sanz Lavera
+
* Alba Xiyi Montoro Poveda  
Victor Zornoza Llanos
+
* Daniel Sanz Lavera
Jaime San Vicente Lara}}
+
* Victor Zornoza Llanos
 +
* Jaime San Vicente Lara}}
  
\justify
+
<div style="text-align: justify;">
Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 12]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada como <math>T(x, y) = 3log(1+(1+x^2) + log(1+(y-2)^2)</math> y  por otro, los desplazamientos <math>\vec{u}(x, y)</math> producidos por la acción de una fuerza determinada. Definiendo <math>\vec{r_{0}}(x, y)= x\vec{i}+y\vec{j}</math> como vector posición de los puntos de la placa antes de la deformación, la posición de cada punto después de la deformación viene dada por: <math>\vec{r_{d}}(x, y)=\vec{r_{0}}(x, y)+\vec{u}(x, y).</math>.
+
 
 +
Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano<br> <math>(x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 12]</math>. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada <br>como <math>T(x, y) = 3log(1+(1+x^2) + log(1+(y-2)^2)</math>.<br>
 +
Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos <math>\vec{u}(x, y)</math> producidos por la acción de una fuerza <br>determinada. Definiendo <math>\vec{r_{0}}(x, y)= x\vec{i}+y\vec{j}</math> como vector posición de los puntos de la placa antes de la de-<br>formación, la posición de cada punto después de la deformación viene dada por: <math>\vec{r_{d}}(x, y)=\vec{r_{0}}(x, y)+\vec{u}(x, y).</math>.
 
Suponemos también que la fuerza aplicada sobre la placa a provocado un desplazamiento ondulatorio dado por el vector <math>\vec{u}(x, y, t)=\vec{a}sin(\pi k(\vec{d}·\vec{r_{0}}(x,y)-vt)),</math> donde <math>\vec{a}</math> se conoce como la amplitud <math>k > 0</math> es el número de onda, <math>\vec{d}</math> es un vector unitario que marca la dirección de propagación y <math>v</math> es la  
 
Suponemos también que la fuerza aplicada sobre la placa a provocado un desplazamiento ondulatorio dado por el vector <math>\vec{u}(x, y, t)=\vec{a}sin(\pi k(\vec{d}·\vec{r_{0}}(x,y)-vt)),</math> donde <math>\vec{a}</math> se conoce como la amplitud <math>k > 0</math> es el número de onda, <math>\vec{d}</math> es un vector unitario que marca la dirección de propagación y <math>v</math> es la  
 
velocidad de propagación.  
 
velocidad de propagación.  
 
Supondremos que se trata de una onda longitudinal en la que la dirección de propagación es la misma que la amplitud.  
 
Supondremos que se trata de una onda longitudinal en la que la dirección de propagación es la misma que la amplitud.  
Sabemos que <math>\vec{a}=\vec{d}=1/3\vec{j}, k=1, </math>
+
Sabemos que <math>\vec{a}=\vec{d}=1/3\vec{j}, k=1, </math> </div>
  
  
  
 
==Definición de la placa==
 
==Definición de la placa==
Dibujo del mallado que representa el interior del sólido. Tomamos los ejes en el rectángulo <math>(x, y) ∈ [−1; 1] × [0; 12] </math>y como paso de muestreo h = 2/10 para las variables x e y.  
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Dibujo del mallado que representa el interior del sólido. Tomamos los ejes en el rectángulo <math>(x, y) ∈ [−1; 1] × [0; 12] </math> y como paso de muestreo h = 2/10 para las variables x e y.  
 
[[Archivo:Mallado_figura1.png|500px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 1]]
 
[[Archivo:Mallado_figura1.png|500px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 1]]
 
{{matlab|codigo=
 
{{matlab|codigo=
Línea 44: Línea 47:
 
hold off
 
hold off
 
}}
 
}}
 
  
 
==Gradiente de la temperatura==
 
==Gradiente de la temperatura==
Línea 51: Línea 53:
 
<center><math> \nabla T=\frac{6(x+1)}{1+(x+1)^2}\vec{i}+ \frac{2(y-2)}{1+(y-2)^2}\vec{j}</math></center>
 
<center><math> \nabla T=\frac{6(x+1)}{1+(x+1)^2}\vec{i}+ \frac{2(y-2)}{1+(y-2)^2}\vec{j}</math></center>
  
[[Archivo:Victorfgraficas3.png|550px|miniaturadeimagen|Figura 2]]
+
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: 9.4434
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: 9.4434  
+
[[Archivo:Apartado2vic.png|900px|miniaturadeimagen|Figura 1]]
 
{{matlab|codigo=
 
{{matlab|codigo=
 +
clc
 +
clear
 
h = 0.2; %MUESTREO
 
h = 0.2; %MUESTREO
 
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
 
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
 
y =0.0:h:12.0; %DOMINIO DE Y
 
y =0.0:h:12.0; %DOMINIO DE Y
 
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
 
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=3*log(1+(X+1).^2)+log(1+(Y-2).^2); %TEMP EN CADA PUNTO DEL MALLADO
+
T=3*log(1+(X+1).^2)+log(1+(Y-2).^2); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
 
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
 
mesh(X,Y,0*X) %CREACIÓN DE LA MALLA
 
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
 
subplot(1,3,1) %GRÁFICO SUPERIOR
Línea 64: Línea 68:
 
axis ([-1,1,-0.5,12.5])  
 
axis ([-1,1,-0.5,12.5])  
 
view(2)
 
view(2)
colorbar
+
colorbar %BARRA DE COLORES
 +
%TÍTULO PRIMERA GRÁFICA Y EJES
 
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
 
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
 
xlabel('eje X')
 
xlabel('eje X')
 
ylabel('eje Y')
 
ylabel('eje Y')
 
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
 
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,50);
+
contour(X,Y,T,11);
 
axis ([-1.0,1.0,-0.5,12.5]);
 
axis ([-1.0,1.0,-0.5,12.5]);
 +
%TÍTULO SEGUNDA GRÁFICA Y EJES
 
title('CURVAS DE NIVEL')
 
title('CURVAS DE NIVEL')
 
xlabel('eje X')
 
xlabel('eje X')
 
ylabel('eje Y')
 
ylabel('eje Y')
 
colorbar %BARRA DE COLORES
 
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T))
+
Tmax=max(max(T)) %PUNTO MÁXIMO
 
subplot(1,3,3)
 
subplot(1,3,3)
 
axis ([-1.25,1.25,-0.5,12.5])  
 
axis ([-1.25,1.25,-0.5,12.5])  
 
view(2)
 
view(2)
[M,c]=contour(X,Y,T,[0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.25],'ShowText','on')  
+
%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')
 
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
 
xlabel('eje X')
 
xlabel('eje X')
 
ylabel('eje Y')
 
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:definitivoo.png|300px|miniaturadeimagen|Figura 2]]
 +
{{matlab|codigo=
 +
clc
 +
clear
 +
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=3*log(1+(X+1).^2)+log(1+(Y-2).^2); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
 +
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
 +
dx=(6.*(X+1))./(1+(X+1).^2); %PARCIAL DE X
 +
dy=(2.*(Y-2))./(1+(Y-2).^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
 
colorbar
 
}}
 
}}
Línea 88: Línea 121:
 
==Ley de Fourier==
 
==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.
 
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 dependera del material a estudio. En nuestro caso, la sección del solido tiene por  K el valor asociado 1
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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.
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Se observa que las flechas van en sentido contrario al gradiente.
 
[[Archivo:Energia_calorifica.png|500px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]
 
[[Archivo:Energia_calorifica.png|500px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 3]]
 
{{matlab|codigo=
 
{{matlab|codigo=
Línea 124: Línea 159:
 
==Campo de deformaciones en el instante inicial==
 
==Campo de deformaciones en el instante inicial==
 
Dibujo del campo de vectores en los puntos del mallado del sólido en t=0.
 
Dibujo del campo de vectores en los puntos del mallado del sólido en t=0.
La fuerza aplicada sobre la placa ha provocado un desplazamiento ondulatorio de los puntos dado por el vector <math>\vec{u}(x, y, t)=\vec{a}sin(\pi k(\vec{d}·\vec{r_{0}}(x,y)-vt))</math>. Al ser el tiempo t=0 el vector <math>\vec{u}</math> nos queda <math>\vec{u}(x, y, t)=\vec{a}sin(\pi k(\vec{d}·\vec{r_{0}}))</math>.
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La fuerza aplicada sobre la placa ha provocado un desplazamiento ondulatorio de los puntos dado por el vector <math>\vec{u}(x, y, t)=\vec{a}sin(\pi k(\vec{d}·\vec{r_{0}}(x,y)-vt))</math>. Al ser el tiempo t=0 el vector <math>\vec{u}</math> nos queda <math>\vec{u}(x, y)=\vec{a}sin(\pi k(\vec{d}·\vec{r_{0}}))</math>.
 
[[Archivo:Malladoent0.png|500px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 4]]
 
[[Archivo:Malladoent0.png|500px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 4]]
 
{{matlab|codigo=
 
{{matlab|codigo=
Línea 135: Línea 170:
 
%Creación del mallado
 
%Creación del mallado
 
  [X,Y]=meshgrid(x,y);
 
  [X,Y]=meshgrid(x,y);
%Función T
 
T=3*log(1+(X+1).^2)+log(1+(Y-2).^2);
 
 
%Campo de vectores en t=0
 
%Campo de vectores en t=0
 
  ux= 0.*X;
 
  ux= 0.*X;
Línea 148: Línea 181:
 
   axis([-2,2,-0.5,12.5]);
 
   axis([-2,2,-0.5,12.5]);
 
}}
 
}}
 
  
 
==Comparación de la placa antes y después del desplazamiento==
 
==Comparación de la placa antes y después del desplazamiento==
  
 
+
{|width="1500px" align="center" style="border: 1px solid transparent ;"
{| class="wikitable"  
+
|<div style="text-align: justify;">
|<div style="text-align: justify;">En la entrada del articulo se han definido tanto la sección del solido, definida por r0(x,y), el campo de deformaciones u(x,y,t), el cual hemos supuesto 0 <br> para nuestro trabajo, y por ultimo se ha expresado el vector rd(x,y),define los puntos del mallado después de las deformación. Este ultimo lo define la suma de r0(x,y) y u(x,y,t).<br>Para una mejor comprensión del ejercicio se ha optado por realizar una representación de un caso genérico previa exposición del trabajo que nos corresponde exponer </div>
+
<big>En la entrada del articulo se han definido tanto la sección del solido,definida por <math> \vec{r_{0}}(x, y)</math>, el campo de deformaciones <math> \vec{u}(x,y,t)</math>, el cual hemos supuesto 0. <br> <br> Para nuestro trabajo, y por ultimo se ha expresado el vector <math>\vec{r_{d}}(x,y)</math>,define los puntos del mallado después de las deformación. Este ultimo lo define la suma de <math> \vec{r_{0}}(x, y)</math> y <math> \vec{u}(x,y,t)</math> .</big>
|[[Archivo:Sección antes y déspues .png|Figura representativa de caso  general utilizando paint]]
+
</div>
|-
+
|[[Archivo:Sección antes y déspues .png|rigth|Figura representativa de caso  general utilizando paint]]
 +
|<div style='text-align: justify;'> <big>Ahora ya entendida la problemática del ejercicio. Se expondrán  una serie de gráficos ilustrativos junto con el código asociado asociado.</big></div>
 
|}
 
|}
  
  
 +
{|width="300px" align="center" style="border: 1px solid transparent;" cellpadding="0" cellspacing="0"
 +
|-
 +
|style="border: 1px  solid transparent;" cellpadding="0" cellspacing="0" align="center"|[[Archivo:M.png|600px|tumb|derecha|Malla previa a ser deformada]]
  
 +
|style="border: 1px  solid transparent;" cellpadding="0" cellspacing="0" align="center"|[[Archivo:Cd1.png|600px|tumb|derecha|Campo de deformaciones]]
  
 +
|style="border: 1px  solid transparent;" cellpadding="0" cellspacing="0" align="center"|[[Archivo:Md1.png|600px|tumb|derecha|Malla después de ser deformada]]
 +
|}
 +
<div style="text-align:right"><big>Aparte de los gráficos pedidos en las consignas del trabajo se ha agregado un cuarto, en el cual<br> se puede ver con mayor precisión el efecto que tomara el campo <math> \vec{u}(x,y,t)</math> en la sección.</big></div>
 +
 +
[[Archivo:UCDYM2.png|800px|tumb|derecha|Unión de la malla y el campo de deformaciones]]
  
 
{{matlab|codigo=
 
{{matlab|codigo=
 +
clear;clc; close all
 +
% Definamos el contorno de la malla.
 +
h=1/5;
 +
  x=-1:h:1; y=0:h:12;
 +
  [X,Y]=meshgrid(x,y);
 +
      Z=X.*0;
 +
figure name 'M'
 +
        mesh(X,Y,Z,'EdgeColor','b')          % Malla previa a ser deformada
 +
        axis([-1,1,0,12])         
 +
        xlabel('X')
 +
        ylabel('Y',rotation=pi()/2)
 +
        view(2)
 +
        title(['Sección antes'])
  
 +
figure name 'Cd'
 +
ux=X.*0; uy=1/3*sin(pi()*1/3.*Y);            % Campo de deformaciones
 +
    quiver(X,Y,ux,uy,'g','Markersize',1)
 +
      axis([-1,1,0,12])
 +
        xlabel('X')
 +
        ylabel('Y',rotation=pi()/2)
 +
      title(['Campo de deformaciones U'])     
 +
 +
figure name 'Md'
 +
      Rdx=X; Rdy= Y + uy;                  % Sección en t=0 despues de
 +
    mesh(Rdx,Rdy,Z,'EdgeColor','c')        % de la deformación.
 +
      axis([-1,1,0,12])
 +
        xlabel('X')
 +
        ylabel('Y',rotation=pi()/2)
 +
        view(2)
 +
      title(['Sección déspues'])
 +
 +
figure name 'Unión de Cd y M'
 +
    hold on
 +
      mesh(X,Y,Z,'EdgeColor','b', ...
 +
          'MarkerSize',0.5)
 +
      ux=X.*0; uy=1/3*sin(pi()*1/3.*Y);      % Mediante el hold on/off
 +
      quiver(X,Y,ux,uy,'g','Markersize' ...
 +
          ,8,'LineWidth',2)                  % conseguimos la unios de
 +
        axis([-1,1,0,12])                    % ambos graficos
 +
        xlabel('X')
 +
        ylabel('Y',rotation=pi()/2)
 +
        view(2)
 +
        title(['Unión de Cd y M'],'FontSize',12.5)
 +
    hold off
 
}}
 
}}
  
 
== Visualización de la divergencia del campo de deformaciones==
 
== Visualización de la divergencia del campo de deformaciones==
La divergencia de un campo vectorial es la suma de sus derivadas parciales, matemáticamente hablando. Dado que en nuestro caso los vectores son ambos 1/3j por lo que al hacer las derivadas parciales de <math> \vec{u} </math> queda un único sumando que es el correspondiente a y. Es decir, queda reducido a calcular los valores máximos, mínimos y nulos la derivada parcial de uy.
+
La divergencia mide la diferencia entre el flujo saliente y el flujo entrante de un campo vectorial. Se calcula sumando las derivadas parciales respecto a este:
 +
 
 +
<math>\vec{u}(x,y,z)=ux(x,y,z)\vec{i}+uy(x,y,z)\vec{j}+uz(x,y,z)\vec{k}</math>
 +
 
 +
<math>∇ \cdot \vec{u}(x,y,z) = \frac{\partial ux}{\partial x}(x,y,z)+\frac{\partial uy}{\partial y}(x,y,z)+\frac{\partial uz}{\partial z}(x,y,z)</math>
 +
 
 +
En nuestro caso <math>\vec{u}(x,y)=\frac{1}{3}sin(\frac{πy}{3})</math> en t=0. La divergencia quedaría:
 +
 
 +
<math>∇ \cdot \vec{u}=\frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)</math>
 +
 
 +
Al hacer las derivadas parciales de <math> \vec{u} </math> queda un único sumando que es el correspondiente a y.  
 +
En la gráfica se puede observar que la divergencia de <math>\vec{u}</math> es máxima en los valores que están en color amarillo, es mínima en los valores que están en color azul oscuro y nula en los valores que están en verde. 
 +
 
 +
El cambio de volumen se puede apreciar en la gráfica ya que en unos puntos hay mayor flujo que en otros.  
 +
 
 
[[Archivo:Divergenciau.png|500px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 6]]
 
[[Archivo:Divergenciau.png|500px|miniaturadeimagen|derecha|Figura 6]]
 
{{matlab|codigo=
 
{{matlab|codigo=
Línea 174: Línea 273:
 
clear
 
clear
 
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
 
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;  
+
h=2/10;  
x=[-1:h:1];
+
x=[-1:h:1];
y=[0:h:12];
+
y=[0:h:12];
 
%Creación del mallado
 
%Creación del mallado
[X,Y]=meshgrid(x,y);
+
[X,Y]=meshgrid(x,y);
 
%Cálculo de la divergencia  
 
%Cálculo de la divergencia  
Diver= pi/9*cos((pi/3).*Y);
+
Diver= pi/9*cos((pi/3).*Y);
  Dmax= max(Diver)
+
  shading flat
NDmax=find(Diver==Dmax)
+
Dmin= min(Diver);
+
NDmin=find(Diver==Dmin)
+
D0=find(Diver==0)
+
shading flat
+
 
%Gráfico de la superficie
 
%Gráfico de la superficie
surf(X,Y,Diver)
+
surf(X,Y,Diver)
colorbar
+
colorbar
 
view(2)
 
view(2)
axis([-2,2,-0.5,12.5]);
+
axis([-2,2,-0.5,12.5]);
 
%Título y nombre a los ejes
 
%Título y nombre a los ejes
 
  title('Divergencia del campo')
 
  title('Divergencia del campo')
Línea 208: Línea 302:
 
Para el caso del sistema de coordenadas cartesiano, con ejes <math>[ x, y, z ]</math>, y vectores respectivos <math>\vec{i}, \vec{j}, \vec{k}</math>, se procede a calcular el rotacional.  
 
Para el caso del sistema de coordenadas cartesiano, con ejes <math>[ x, y, z ]</math>, y vectores respectivos <math>\vec{i}, \vec{j}, \vec{k}</math>, se procede a calcular el rotacional.  
  
Usando el campo <math>\vec{u} = (\vec{ux}, \vec{uy}, \vec{uz}) = (0,1/3sin((\pi*y)/3), 0)</math> previo, procedemos a hacer los cálculos:
+
Usando el campo <math>\vec{u} = (\vec{ux}, \vec{uy}, \vec{uz}) = (0,\frac{1}{3}sen(\frac{π}{3}y), 0)</math> previo, procedemos a hacer los cálculos:
  
<math>\ \bigtriangledown \times \vec{u} = \begin{vmatrix}\vec{i} & \vec{j} &\vec{k} \\ ∂/∂x & ∂/∂y & ∂/∂z\\ ux & uy  & uz\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\vec{i} & \vec{j}  & \vec{k} \\ ∂/∂x & ∂/∂y & ∂/∂z \\ 0 & 1/3sin((\pi*y)/3) & 0\end{vmatrix}=(0-0)\vec{i}+(0-0)\vec{j}+(0-0)\vec{k}=0 </math>  
+
<math>\ \bigtriangledown \times \vec{u} = \begin{vmatrix}\vec{i} & \vec{j} &\vec{k} \\ ∂/∂x & ∂/∂y & ∂/∂z\\ ux & uy  & uz\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\vec{i} & \vec{j}  & \vec{k} \\ ∂/∂x & ∂/∂y & ∂/∂z \\ 0 & \frac{1}{3}sen(\frac{π}{3}y) & 0\end{vmatrix}=(0-0)\vec{i}+(0-0)\vec{j}+(0-0)\vec{k}=0 </math>  
  
Por lo tanto, se trata de un campo conservativo es decir, el rotacional en todos los puntos de la placa es nulo, lo que implica:
+
Por lo tanto, se trata de un campo conservativo, es decir, el rotacional en todos los puntos de la placa es nulo, lo que implica:
  
 
<math>\ \left | \bigtriangledown \times \vec{u} \right | = 0 </math>
 
<math>\ \left | \bigtriangledown \times \vec{u} \right | = 0 </math>
  
 
==Cálculo de las tensiones normales==
 
==Cálculo de las tensiones normales==
El tensor de tensiones <math>\sigma=λ\bigtriangledown \cdot \vec{u}1 + 2µЄ</math> describe un medio elástico, isótropo y homogéneo de los desplazamientos.
+
El tensor de tensiones <math>\sigma=λ\bigtriangledown \cdot \vec{u}I + 2µЄ</math> describe un medio elástico, isótropo y homogéneo de los desplazamientos.
 
Donde:
 
Donde:
<math>Є( \vec{u} )=\frac{\bigtriangledown\vec{u}+\bigtriangledown\vec{u}^t}{2}</math> parte simétrica del tensor gradiente de <math>\vec{u}</math>
+
<math>Є(\vec{u})=\frac{\bigtriangledown\vec{u}+\bigtriangledown\vec{u}^t}{2}</math> parte simétrica del tensor gradiente de <math>\vec{u}</math>
 +
, <math>\bigtriangledown \cdot \vec{u}</math> la divergencia , <math>I</math> es el tensor identidad y <math>λ,µ =1</math> son los conocidos como coeficientes de Lamé.
  
<math>\bigtriangledown \cdot \vec{u}</math> la divergencia de <math>\vec{u}</math>
+
<math>\cdot \vec{u} =
 +
\begin{pmatrix}
 +
\frac{\partial u_{1} }{\partial x} & \frac{\partial u_{1} }{\partial y} & \frac{\partial u_{1} }{\partial z} \\
 +
\frac{\partial u_{2} }{\partial x} & \frac{\partial u_{2} }{\partial y} & \frac{\partial u_{2} }{\partial z} \\
 +
\frac{\partial u_{3} }{\partial x} & \frac{\partial u_{3} }{\partial y} & \frac{\partial u_{3} }{\partial z}
 +
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\0 & \frac{\partial(\frac{1}{9}sin(\frac{πy}{3}))}{\partial y} & 0\\ 0 & 0 & 0\end{pmatrix}=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\vec{j} \otimes \vec{j}</math>
  
<math>I</math> es el tensor identidad.
 
  
<math>λ,µ =1</math> son los conocidos como coeficientes de Lamé.
+
<math>Є(\vec{u})=\frac{\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})+\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})}{2}=\frac{\frac{2π}{9}cos(\frac{πy}{3})}{2}=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})</math>
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<math>\sigma=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 1\end{pmatrix}+2\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\0 & \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3}) & 0\\ 0 & 0 & 0\end{pmatrix}=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})(\vec{i} \otimes \vec{i}+\vec{j} \otimes \vec{j}+\vec{k} \otimes \vec{k})+2\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\vec{j} \otimes \vec{j}</math>
 +
 
 +
 
 +
 
 +
<math>σij=\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3}) & 0 & 0\\0 & \frac{π}{3}cos(\frac{πy}{3}) & 0\\ 0 & 0 & \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\end{pmatrix}</math>
 +
 
 +
 
 +
Tensor  <math>i \cdot \sigma \cdot i= \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3}) & 0 & 0\\0 & \frac{π}{3}cos(\frac{πy}{3}) & 0\\ 0 & 0 & \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})</math>
 +
 
 +
 
 +
Tensor  <math>j \cdot \sigma \cdot j= \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3}) & 0 & 0\\0 & \frac{π}{3}cos(\frac{πy}{3}) & 0\\ 0 & 0 & \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}=\frac{π}{3}cos(\frac{πy}{3})</math>
 +
 
  
<math>∇\vec{u} =
 
\begin{pmatrix}
 
\frac{\partial u_{1} }{\partial ρ} & \frac{\partial u_{1} }{\partial θ} & \frac{\partial u_{1} }{\partial z} \\
 
\frac{\partial u_{2} }{\partial ρ} & \frac{\partial u_{2} }{\partial θ} & \frac{\partial u_{2} }{\partial z} \\
 
\frac{\partial u_{3} }{\partial ρ} & \frac{\partial u_{3} }{\partial θ} & \frac{\partial u_{3} }{\partial z}
 
\end{pmatrix} </math><br />
 
  
:<br />
+
Tensor  <math>k \cdot \sigma \cdot k= \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3}) & 0 & 0\\0 & \frac{π}{3}cos(\frac{πy}{3}) & 0\\ 0 & 0 & \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})</math>
<math>\nabla{\vec {u}= \left(\begin{matrix} 0 & -(\frac{log(ρ)}{})sen(2θ-\frac{π}{2}) & 0 \\ (\frac{1}{})sen(2θ-\frac{π}{2}) & (\frac{log(ρ)}{ρ})cos(2θ-\frac{π}{2})& 0\\ 0 & 0 & 0 \end{matrix}\right)</math>.
+
<br />
+
  
  
[[Archivo:Tensionesnormalesgrupo15.png|600px|miniaturadeimagen|derecha|Figura8]]
+
[[Archivo:Tensionesnormalesgrupo15.png|700px|miniaturadeimagen|derecha|Figura8]]
 
{{matlab|codigo=
 
{{matlab|codigo=
 
clc
 
clc
Línea 295: Línea 401:
 
Cálculo de las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a <math>\vec{i}</math>, es decir <math>|σ ·\vec{i} − (\vec{i} · σ ·\vec{i})\vec{i}|</math>, en t=0.
 
Cálculo de las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a <math>\vec{i}</math>, es decir <math>|σ ·\vec{i} − (\vec{i} · σ ·\vec{i})\vec{i}|</math>, en t=0.
  
Lo calculamos por partes por facilidad <math>|σ ·\vec{i}|-|(\vec{i} · σ ·\vec{i})\vec{i}|</math>
+
Lo calculamos por separado como : <math>(σ ·\vec{i})-((\vec{i} · σ ·\vec{i})\vec{i})</math>
  
<math>|σ·\vec{i}|=|\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)& 0 & 0\\\0 & \frac{π}{3}cos(\frac{π}{3}y) & 0\\ 0 & 0 & \frac{π}{3}cos(\frac{π}{3}y)\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}| = |\begin{pmatrix} 0\\\frac{2}{5}cosx\\0 \end{pmatrix}| = \frac{2}{5}cosx </math>
+
 
 +
<math>(σ·\vec{i})=\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)& 0 & 0\\0 & \frac{π}{3}cos(\frac{π}{3}y) & 0\\ 0 & 0 & \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\\0 \\0 \end{pmatrix}</math> 
 +
 
 +
 
 +
<math>((\vec{i} · σ ·\vec{i})\vec{i})= \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}= \begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\\0 \\0 \end{pmatrix}</math>
 +
 
 +
Ahora si  como valor absoluto
 +
 
 +
<math>|σ ·\vec{i}|-|(\vec{i} · σ ·\vec{i})\vec{i}|=| \begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\\0 \\0 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\\0 \\0 \end{pmatrix} |=0</math>
 +
 
 +
Por lo tanto las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a <math>\vec{i}</math> no existe.
  
 
==Tensión de Von Mises==
 
==Tensión de Von Mises==
Línea 305: Línea 421:
 
<math>σ_{VM}=\sqrt{\frac{(σ_{1}-σ_{2})^2+(σ_{2}-σ_{3})^2+(σ_{3}-σ_{1})^2}{2}}</math>
 
<math>σ_{VM}=\sqrt{\frac{(σ_{1}-σ_{2})^2+(σ_{2}-σ_{3})^2+(σ_{3}-σ_{1})^2}{2}}</math>
  
donde <math>σ_{1}</math>, <math>σ_{2}</math> y <math>σ_{3}</math> son los autovalores de <math>σ</math> también conocidos como tensiones principales. Se trata de una magnitud escalar que se suele usar como indicador para saber cuando un material inicia un comportamiento plástico y no elástico puro.
+
donde <math>σ_{1}</math>, <math>σ_{2}</math> y <math>σ_{3}</math> son los autovalores de <math>σ</math> también conocidos como tensiones principales. Se trata de una magnitud escalar que se suele usar como indicador para saber cuando un material inicia un comportamiento plástico y no elástico puro. Debe su nombre a Richard Edler von Mises quien propuso que un material dúctil sufría fallo elástico cuando la energía de distorsión elástica rebasaba cierto valor, sin embargo, el criterio fue claramente formulado con anterioridad por Maxwell en 1865.
 +
 
 +
En nuestro caso, la tensión alcanza su valor máximo en varios puntos, los cuales, coinciden con los valores máximos y mínimos de las tensiones tangenciales. Si nos fijamos esto guarda relación con las deformaciones antes del desplazamiento. Su valor máximo es <math>0.6981</math>.
  
 +
[[Archivo:VM23.png|500px|miniaturadeimagen|derecha]]
 
{{matlab|codigo=
 
{{matlab|codigo=
 
clc; clear all
 
clc; clear all
Línea 337: Línea 456:
 
surf(X,Y,MVonM)
 
surf(X,Y,MVonM)
 
shading flat
 
shading flat
axis([-0.5,10.5,-1.5,1.5]);
 
 
axis equal
 
axis equal
 
title('Tension de Von Mises');
 
title('Tension de Von Mises');
 
xlabel('Eje X');
 
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y');
+
ylabel('Eje Y','Rotation',pi/2);
 
view(2);
 
view(2);
 
colorbar
 
colorbar
Línea 348: Línea 466:
  
 
==Velocidad de propagación==
 
==Velocidad de propagación==
 +
<div style="text-align: justify;"> Ya llegando al conclusión del trabajo. Nos encontramos con un apartado que pone de manifiesto las relaciones existentes entre los distintos apartados que se han ido resolviendo hasta llegar hasta aquí. Des-<br>
 +
de la introducción de este trabajo hemos estado atajando distintos sucesos que le ocurrían a la sección de un solido determinado como la temperatura, <math> \vec{T}(x,y)</math>, o el campo deformaciones, <math> \vec{u}(x,y,t)</math>. Ahora <br>
 +
bien, en este apartada aondará en la fuerza que recibe el mallado, causante de las deformaciones ocasionadas por <math> \vec{u}(x,y,t)</math> .<br>
 +
Esta fuerza viene descrita por la ecuación diferencial <math>\vec{F} = \frac{d^2\vec{u}}{dt^2} - \bigtriangledown \cdot \sigma</math>. Estas deformaciones, se propagan con una cierta ve-<br>locidad , <math> \vec{v}</math>, que será calculada suponiendo <math> \vec{F} = 0</math> y en función de los terminos de lame expuestos en el apartado 8,<math>\lambda, \mu </math>. Al es-<br>
 +
tar igualado a 0, el ejercicio radica en igualar ambos sumandos y de ahí despejar <math> \vec{v}</math>. <br>
 +
Comenzaremos por la divergencia de <math> \sigma </math>, esta será redefinida para este apartado dado que en su momento se especifico que t = 0, hecho que en este apartado no podemos suponer. Por lo que <math> \vec{u}(x,y,t)</math> pa-<br>
 +
sa a ser:<br> <math>\frac{1}{3}sin(\frac{\pi}{3}{y}-vt)\vec{j}</math> y <math> \sigma</math> = <math>\lambda\bigtriangledown \cdot \vec{u}I+2\mu\epsilon</math> = <math>\lambda\cdot \frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)\cdot I (\vec i \otimes \vec i)(\vec j \otimes \vec j)(\vec k \otimes \vec k) + 2\mu\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)(\vec j \otimes \vec j)</math> =<br> <math>(\lambda)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)(\vec i \otimes \vec i) +(\lambda+2\mu)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)(\vec j \otimes \vec j) + (\lambda)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)\vec k \otimes \vec k </math>.  </div>
 +
Ya redefinida <math> \sigma </math> se procera al calculo de la divergencia  <math>\bigtriangledown \cdot \sigma </math>:
 +
 +
<center><math>\bigtriangledown \cdot \sigma </math> = \begin{pmatrix} \frac{\partial ((\lambda)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)) }{\partial x} & 0 & 0 \\0 & \frac{\partial ((\lambda+2\mu)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt))}{\partial y} & 0 \\ 0 & 0 & \frac{\partial ((\lambda)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)) }{\partial k}\end{pmatrix}= <math>\begin{pmatrix} 0\\ -(\lambda+2\mu)\frac{(\pi)^2}{27}sen(\frac{\pi}{3}{y}-vt)\\ 0\end{pmatrix}</math></center>
 +
 +
 +
 +
 +
<div style="text-align: justify;"> En segundo lugar se calculara la segunda derivada parcial de <math> \vec{u}(x,y,t)</math> respecto al tiempo t <math>\frac{\partial ^2\vec{u}}{\partial t^2}</math>. Para llevar a cavo este calculo se partira de la primera derivada de <math> \vec{u}(x,y,t) </math> \quad = \quad <math> \frac{\partial \vec{u}(x,y,t)}{\partial t} </math> .<br>
 +
<math>\frac{\partial \vec{u}(x,y,t)}{\partial t}</math>: <math>\frac{\partial \vec{u}(x,y,t)}{\partial t}</math> = <math> (-\frac{1}{3}vcos(\frac{\pi}{3}{y}-vt))\vec{j} </math>
 +
 +
<math>\frac{\partial ^2\vec{u}}{\partial t^2} \quad = \quad frac{\partial (-\frac{1}{3}vcos(\frac{\pi}{3}{y}-vt))}{ \partial t} \quad = \quad (-\frac{1}{3}v^2sen(\frac{\pi}{3}{y}-vt))\vec{j}</math>
 +
</div>
 +
 +
<div style="text-align: justify;"> Ya cerca del final, se realizara la igualación de ambos terminos, dado que <math>\vec{F} \quad = \quad 0 </math>. No se indicaran los índices vectoriales hasta el final, ya que ambos sumandos trabajan en <math> \vec{j}</math>.
 +
 +
<math>\vec{F} = \frac{\partial ^2\vec{u}}{\partial t^2} - \bigtriangledown \cdot \sigma \quad = \quad 0; \quad -\frac{1}{3}v^2sen(\frac{\pi}{9}{y}-vt) \quad + \quad (\lambda+2\mu)\frac{(\pi)^2}{27}sen(\frac{\pi}{3}{y}-vt) \quad = 0</math> <br>
 +
<math> -\frac{1}{3}v^2sen(\frac{\pi}{3}{y}-vt) \quad=\quad  -(\lambda+2\mu)\frac{(\pi)^2}{27}sen(\frac{\pi}{3}{y}-vt); </math> <br> <math> \quad \frac{1}{3}v^2\quad = \quad (\lambda+2\mu)\frac{(\pi)^2}{27} </math> <br> <math> v^2 = \quad (\lambda+2\mu)\frac{(\pi)^2}{9};</math> <br> <math> v= \quad  {sqrt{(\lambda+2\mu){\frac{(\pi)^2}{9}}}; </math>
 +
</div>
 +
{\sqrt{(frac{(\pi)^2}{3}}}\vec{j}
 +
{\sqrt {\frac {x} {y}}}
 +
<math>v^2</math> = <math>(\lambda+2\mu)\vec{i}</math>
 +
 +
 +
v= <math>\sqrt(\lambda+2\mu)\vec{i}</math>
  
 
==Módulo de desplazamiento transversal==
 
==Módulo de desplazamiento transversal==
 +
Fijamos el punto <math>P(x,y)=(1/2,1)</math> y calculamos el módulo del desplazamiento trasversal (dirección <math>\vec{j}</math>) a lo largo de <math>t ∈ [0, 10]</math>
 +
 +
Tenemos los siguientes datos:
 +
 +
<math>\vec{u}=\frac{1}{3}sen((\frac{π}{3}y)-vt)·\vec{j}</math>
 +
 +
<math>|\vec{v}|=1.81</math> (la velocidad se calculo previamente en el apartado 11)
 +
 +
<math>P(x,y)=(1/2,1);  x=1/2, y=1</math>
 +
 +
 +
Sustituimos los datos para calcular el '''''módulo de <math>\vec{u}</math>'''''
 +
 +
<math>|\vec{u}|=|\frac{1}{3}sen((\frac{π}{3}y)-vt)·\vec{j}|=\frac{1}{3}sen((\frac{π}{3})-1.81t)</math>
 +
 +
Para representar el módulo del desplazamiento trasversal consideramos que <math>t ∈ [0, 10]</math>
 +
 +
[[Archivo:Desplazamientotrasversalgrupo15.png|380px|miniaturadeimagen|derecha|Figura12]]
 +
 +
{{matlab|codigo=
 +
clc
 +
clear
 +
%Generar el vector t
 +
t=linspace(0,10,100);
 +
%Módulo de la velocidad
 +
v=1.81;
 +
 +
%Función del desplazamiento en t
 +
u=1/3.*sin(pi/3-v.*t);
 +
%Gráfico de la función desplazamiento
 +
plot(t,u,'LineWidth',2)
 +
%Titulo,ejes,leyenda, mallado
 +
title('Desplazamiento trasversal a lo largo de t')
 +
xlabel('Tiempo (s)')
 +
ylabel('Desplazamiento')
 +
grid on
 +
}}

Revisión actual del 00:17 16 dic 2023

Trabajo realizado por estudiantes
Título Visualización de campos escalares y vectoriales en elasticidad
Asignatura Teoría de Campos
Curso 2023-24
Autores
  • Alisson Estefania Simbaña Coray
  • Alba Xiyi Montoro Poveda
  • Daniel Sanz Lavera
  • Victor Zornoza Llanos
  • Jaime San Vicente Lara
Este artículo ha sido escrito por estudiantes como parte de su evaluación en la asignatura


Para el siguiente articulo, consideraremos una placa rectangular plana ocupando la región en el espacio plano
[math](x, y) ∈ [-1, 1]×[0, 12][/math]. A continuación definimos dos cantidades físicas; por un lado la temperatura dada
como [math]T(x, y) = 3log(1+(1+x^2) + log(1+(y-2)^2)[/math].
Por otro lado, hemos de tener en cuenta los desplazamientos [math]\vec{u}(x, y)[/math] producidos por la acción de una fuerza
determinada. Definiendo [math]\vec{r_{0}}(x, y)= x\vec{i}+y\vec{j}[/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: [math]\vec{r_{d}}(x, y)=\vec{r_{0}}(x, y)+\vec{u}(x, y).[/math]. Suponemos también que la fuerza aplicada sobre la placa a provocado un desplazamiento ondulatorio dado por el vector [math]\vec{u}(x, y, t)=\vec{a}sin(\pi k(\vec{d}·\vec{r_{0}}(x,y)-vt)),[/math] donde [math]\vec{a}[/math] se conoce como la amplitud [math]k \gt 0[/math] es el número de onda, [math]\vec{d}[/math] es un vector unitario que marca la dirección de propagación y [math]v[/math] es la velocidad de propagación. Supondremos que se trata de una onda longitudinal en la que la dirección de propagación es la misma que la amplitud.

Sabemos que [math]\vec{a}=\vec{d}=1/3\vec{j}, k=1, [/math]


1 Definición de la placa

Dibujo del mallado que representa el interior del sólido. Tomamos los ejes en el rectángulo [math](x, y) ∈ [−1; 1] × [0; 12] [/math] y como paso de muestreo h = 2/10 para las variables x e y.

Figura 1
clear
clc
%Definimos el contorno de la malla
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
  h=2/10;
  x=[-1:h:1];
  y=[0:h:12];
%Creación del mallado
 [X,Y]= meshgrid(x,y);
%Mallado
 mesh(X,Y,0*X);
%Representación gráfica del mallado
 axis([-6,6,-0.5,12.5]);
%Título y nombre de los ejes
 title('Mallado del sólido');
  xlabel('Eje X');
  ylabel('Eje Y');
%Visualización del gráfico en dos dimensiones
 view(2);
%Contorno de la placa rectagular
hold on
 x1=[-1,1,1,-1,-1];
 y1=[0,0,12,12,0];
 plot(x1,y1,'k','LineWidth',1.5);
hold off


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:

[math] \nabla T=\frac{\partial{T}}{\partial{x}}\vec{i}+\frac{\partial{T}}{\partial{y}}\vec{j}[/math]
[math] \nabla T=\frac{6(x+1)}{1+(x+1)^2}\vec{i}+ \frac{2(y-2)}{1+(y-2)^2}\vec{j}[/math]

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: 9.4434

Figura 1
clc
clear
h = 0.2; %MUESTREO
x =-1.0:h:1.0; %DOMINIO DE X
y =0.0:h:12.0; %DOMINIO DE Y
[X,Y]= meshgrid(x,y); % CREACIÓN DEL MALLADO
T=3*log(1+(X+1).^2)+log(1+(Y-2).^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,-0.5,12.5]) 
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,-0.5,12.5]);
%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,-0.5,12.5]) 
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.

Figura 2
clc
clear
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=3*log(1+(X+1).^2)+log(1+(Y-2).^2); %TEMPERATURA EN CADA PUNTO DEL MALLADO
contour(X,Y,T,11); %CURVAS DE NIVEL
dx=(6.*(X+1))./(1+(X+1).^2); %PARCIAL DE X
dy=(2.*(Y-2))./(1+(Y-2).^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


3 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.

Figura 3
clear;close all;clc;
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
 h=2/10;
 x=[-1:h:1];
 y=[0:h:12];
%Creación del mallado
 [X,Y]=meshgrid(x,y);
 mesh(X,Y,0.*X);
%Definimos la función T
 T=3.*log(1+(X+1).^2)+log(1+(Y-2).^2);
%Curvas de nivel
 contour(X,Y,T,11);
hold on
%Calculo del gradiente de T
 dx=(6.*(X+1))./(1+(X+1).^2);
 dy=(2.*(Y-2))./(1+(Y-2).^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');


4 Campo de deformaciones en el instante inicial

Dibujo del campo de vectores en los puntos del mallado del sólido en t=0. La fuerza aplicada sobre la placa ha provocado un desplazamiento ondulatorio de los puntos dado por el vector [math]\vec{u}(x, y, t)=\vec{a}sin(\pi k(\vec{d}·\vec{r_{0}}(x,y)-vt))[/math]. Al ser el tiempo t=0 el vector [math]\vec{u}[/math] nos queda [math]\vec{u}(x, y)=\vec{a}sin(\pi k(\vec{d}·\vec{r_{0}}))[/math].

Figura 4
clc
clear
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
 h=2/10; 
 x=[-1:h:1];
 y=[0:h:12];
%Creación del mallado
 [X,Y]=meshgrid(x,y);
%Campo de vectores en t=0
 ux= 0.*X;
 uy= 1/3.*sin(pi()*1/3.*Y);
%Título y nombre a los ejes
 title('Campo de vectores');
  xlabel('Eje X');
  ylabel('Eje Y');
%Dibujo de los vectores como flechas
 quiver(X,Y,ux,uy);
  axis([-2,2,-0.5,12.5]);


5 Comparación de la placa antes y después del desplazamiento

En la entrada del articulo se han definido tanto la sección del solido,definida por [math] \vec{r_{0}}(x, y)[/math], el campo de deformaciones [math] \vec{u}(x,y,t)[/math], el cual hemos supuesto 0.

Para nuestro trabajo, y por ultimo se ha expresado el vector [math]\vec{r_{d}}(x,y)[/math],define los puntos del mallado después de las deformación. Este ultimo lo define la suma de [math] \vec{r_{0}}(x, y)[/math] y [math] \vec{u}(x,y,t)[/math] .

Figura representativa de caso  general utilizando paint
Ahora ya entendida la problemática del ejercicio. Se expondrán una serie de gráficos ilustrativos junto con el código asociado asociado.


Malla previa a ser deformada Campo de deformaciones Malla después de ser deformada
Aparte de los gráficos pedidos en las consignas del trabajo se ha agregado un cuarto, en el cual
se puede ver con mayor precisión el efecto que tomara el campo [math] \vec{u}(x,y,t)[/math] en la sección.

Unión de la malla y el campo de deformaciones

clear;clc; close all
% Definamos el contorno de la malla.
 h=1/5;
   x=-1:h:1; y=0:h:12;
   [X,Y]=meshgrid(x,y);
      Z=X.*0;
figure name 'M'
        mesh(X,Y,Z,'EdgeColor','b')          % Malla previa a ser deformada
        axis([-1,1,0,12])          
         xlabel('X')
         ylabel('Y',rotation=pi()/2)
         view(2)
        title(['Sección antes'])

figure name 'Cd'
ux=X.*0; uy=1/3*sin(pi()*1/3.*Y);            % Campo de deformaciones
     quiver(X,Y,ux,uy,'g','Markersize',1)
       axis([-1,1,0,12])
        xlabel('X')
        ylabel('Y',rotation=pi()/2)
       title(['Campo de deformaciones U'])       

figure name 'Md'
       Rdx=X; Rdy= Y + uy;                   % Sección en t=0 despues de 
     mesh(Rdx,Rdy,Z,'EdgeColor','c')         % de la deformación.
       axis([-1,1,0,12])
        xlabel('X')
        ylabel('Y',rotation=pi()/2)
        view(2)
       title(['Sección déspues'])

figure name 'Unión de Cd y M'
     hold on
      mesh(X,Y,Z,'EdgeColor','b', ...
          'MarkerSize',0.5)
      ux=X.*0; uy=1/3*sin(pi()*1/3.*Y);      % Mediante el hold on/off
      quiver(X,Y,ux,uy,'g','Markersize' ...
          ,8,'LineWidth',2)                  % conseguimos la unios de
        axis([-1,1,0,12])                    % ambos graficos
         xlabel('X')
         ylabel('Y',rotation=pi()/2)
         view(2)
        title(['Unión de Cd y M'],'FontSize',12.5)
     hold off


6 Visualización de la divergencia del campo de deformaciones

La divergencia mide la diferencia entre el flujo saliente y el flujo entrante de un campo vectorial. Se calcula sumando las derivadas parciales respecto a este:

[math]\vec{u}(x,y,z)=ux(x,y,z)\vec{i}+uy(x,y,z)\vec{j}+uz(x,y,z)\vec{k}[/math]

[math]∇ \cdot \vec{u}(x,y,z) = \frac{\partial ux}{\partial x}(x,y,z)+\frac{\partial uy}{\partial y}(x,y,z)+\frac{\partial uz}{\partial z}(x,y,z)[/math]

En nuestro caso [math]\vec{u}(x,y)=\frac{1}{3}sin(\frac{πy}{3})[/math] en t=0. La divergencia quedaría:

[math]∇ \cdot \vec{u}=\frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)[/math]

Al hacer las derivadas parciales de [math] \vec{u} [/math] queda un único sumando que es el correspondiente a y. En la gráfica se puede observar que la divergencia de [math]\vec{u}[/math] es máxima en los valores que están en color amarillo, es mínima en los valores que están en color azul oscuro y nula en los valores que están en verde.

El cambio de volumen se puede apreciar en la gráfica ya que en unos puntos hay mayor flujo que en otros.

Figura 6
clc
clear
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
 h=2/10; 
 x=[-1:h:1];
 y=[0:h:12];
%Creación del mallado
 [X,Y]=meshgrid(x,y);
%Cálculo de la divergencia 
 Diver= pi/9*cos((pi/3).*Y);
 shading flat
%Gráfico de la superficie
 surf(X,Y,Diver)
 colorbar
view(2)
 axis([-2,2,-0.5,12.5]);
%Título y nombre a los ejes
 title('Divergencia del campo')
  xlabel('Eje X');
  ylabel('Eje Y');


7 Cálculo del rotacional del campo de deformaciones

Sea |∇ × [math]\vec{u}[/math]| el rotacional de un campo de desplazamientos [math] \vec u = (ux, uy, uz)[/math] expresado en un sistema de coordenadas de vectores unitarios ortogonales [math]\vec{i}, \vec{j}, \vec{k}[/math], aplicado a una superficie bidimensional expresado en dicho sistema de coordenadas, se cumple que:

[math]\ \bigtriangledown \times \vec{u} = \begin{vmatrix}\vec{u} & \vec{v} &\vec{w} \\ ∂/∂x & ∂/∂y & ∂/∂z\\ ux & uy & uz \end{vmatrix}[/math]

Por ello, para calcular el rotacional de un campo de desplazamientos, se aplica la fórmula del producto vectorial en los ejes del sistema de coordenadas.

Para el caso del sistema de coordenadas cartesiano, con ejes [math][ x, y, z ][/math], y vectores respectivos [math]\vec{i}, \vec{j}, \vec{k}[/math], se procede a calcular el rotacional.

Usando el campo [math]\vec{u} = (\vec{ux}, \vec{uy}, \vec{uz}) = (0,\frac{1}{3}sen(\frac{π}{3}y), 0)[/math] previo, procedemos a hacer los cálculos:

[math]\ \bigtriangledown \times \vec{u} = \begin{vmatrix}\vec{i} & \vec{j} &\vec{k} \\ ∂/∂x & ∂/∂y & ∂/∂z\\ ux & uy & uz\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ ∂/∂x & ∂/∂y & ∂/∂z \\ 0 & \frac{1}{3}sen(\frac{π}{3}y) & 0\end{vmatrix}=(0-0)\vec{i}+(0-0)\vec{j}+(0-0)\vec{k}=0 [/math]

Por lo tanto, se trata de un campo conservativo, es decir, el rotacional en todos los puntos de la placa es nulo, lo que implica:

[math]\ \left | \bigtriangledown \times \vec{u} \right | = 0 [/math]

8 Cálculo de las tensiones normales

El tensor de tensiones [math]\sigma=λ\bigtriangledown \cdot \vec{u}I + 2µЄ[/math] describe un medio elástico, isótropo y homogéneo de los desplazamientos. Donde: [math]Є(\vec{u})=\frac{\bigtriangledown\vec{u}+\bigtriangledown\vec{u}^t}{2}[/math] parte simétrica del tensor gradiente de [math]\vec{u}[/math] , [math]\bigtriangledown \cdot \vec{u}[/math] la divergencia , [math]I[/math] es el tensor identidad y [math]λ,µ =1[/math] son los conocidos como coeficientes de Lamé.

[math]∇ \cdot \vec{u} = \begin{pmatrix} \frac{\partial u_{1} }{\partial x} & \frac{\partial u_{1} }{\partial y} & \frac{\partial u_{1} }{\partial z} \\ \frac{\partial u_{2} }{\partial x} & \frac{\partial u_{2} }{\partial y} & \frac{\partial u_{2} }{\partial z} \\ \frac{\partial u_{3} }{\partial x} & \frac{\partial u_{3} }{\partial y} & \frac{\partial u_{3} }{\partial z} \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\0 & \frac{\partial(\frac{1}{9}sin(\frac{πy}{3}))}{\partial y} & 0\\ 0 & 0 & 0\end{pmatrix}=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\vec{j} \otimes \vec{j}[/math]


[math]Є(\vec{u})=\frac{\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})+\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})}{2}=\frac{\frac{2π}{9}cos(\frac{πy}{3})}{2}=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})[/math]


[math]\sigma=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 1\end{pmatrix}+2\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\0 & \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3}) & 0\\ 0 & 0 & 0\end{pmatrix}=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})(\vec{i} \otimes \vec{i}+\vec{j} \otimes \vec{j}+\vec{k} \otimes \vec{k})+2\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\vec{j} \otimes \vec{j}[/math]


[math]σij=\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3}) & 0 & 0\\0 & \frac{π}{3}cos(\frac{πy}{3}) & 0\\ 0 & 0 & \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\end{pmatrix}[/math]


Tensor [math]i \cdot \sigma \cdot i= \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3}) & 0 & 0\\0 & \frac{π}{3}cos(\frac{πy}{3}) & 0\\ 0 & 0 & \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})[/math]


Tensor [math]j \cdot \sigma \cdot j= \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3}) & 0 & 0\\0 & \frac{π}{3}cos(\frac{πy}{3}) & 0\\ 0 & 0 & \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}=\frac{π}{3}cos(\frac{πy}{3})[/math]


Tensor [math]k \cdot \sigma \cdot k= \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3}) & 0 & 0\\0 & \frac{π}{3}cos(\frac{πy}{3}) & 0\\ 0 & 0 & \frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}=\frac{π}{9}cos(\frac{πy}{3})[/math]


Figura8
clc
clear
%Definimos las variables x e y usando como paso de muestreo h
h=2/10;
x=[-1:h:1];
y=[0:h:12];
[X,Y]=meshgrid(x,y);

%Tensiones
Ti=pi/9.*cos(pi/3.*Y);
Tj=pi/3.*cos(pi/3.*Y);
Tk=pi/9.*cos(pi/3.*Y);

figure
%Gráfico de las tensiones en i
subplot(1,3,1)           
pcolor(X,Y,Ti)
colorbar
shading flat
%Título y nombre de los ejes
title('Tensiones normales en i') 
xlabel('Eje X')
ylabel('Eje Y') 
axis ([-1,1,0,12])
view(2)

%Gráfico de las tensiones en j
subplot(1,3,2)           
pcolor(X,Y,Tj)
colorbar
shading flat
%Título y nombre de los ejes
title('Tensiones normales en j') 
xlabel('Eje X')
ylabel('Eje Y') 
axis ([-1,1,0,12])
view(2)

%Gráfico de las tensiones en k
subplot(1,3,3)           
pcolor(X,Y,Tk)
colorbar
shading flat
%Título y nombre de los ejes
title('Tensiones normales en k') 
xlabel('Eje X')
ylabel('Eje Y') 
axis ([-1,1,0,12])
view(2)


9 Cálculo de tensiones tangenciales

Cálculo de las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a [math]\vec{i}[/math], es decir [math]|σ ·\vec{i} − (\vec{i} · σ ·\vec{i})\vec{i}|[/math], en t=0.

Lo calculamos por separado como : [math](σ ·\vec{i})-((\vec{i} · σ ·\vec{i})\vec{i})[/math]


[math](σ·\vec{i})=\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)& 0 & 0\\0 & \frac{π}{3}cos(\frac{π}{3}y) & 0\\ 0 & 0 & \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\\0 \\0 \end{pmatrix}[/math]


[math]((\vec{i} · σ ·\vec{i})\vec{i})= \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}= \begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\\0 \\0 \end{pmatrix}[/math]

Ahora si como valor absoluto

[math]|σ ·\vec{i}|-|(\vec{i} · σ ·\vec{i})\vec{i}|=| \begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\\0 \\0 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix} \frac{π}{9}cos(\frac{π}{3}y)\\0 \\0 \end{pmatrix} |=0[/math]

Por lo tanto las tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a [math]\vec{i}[/math] no existe.

10 Tensión de Von Mises

La tensión de Von Mises viene dada por la expresión:

[math]σ_{VM}=\sqrt{\frac{(σ_{1}-σ_{2})^2+(σ_{2}-σ_{3})^2+(σ_{3}-σ_{1})^2}{2}}[/math]

donde [math]σ_{1}[/math], [math]σ_{2}[/math] y [math]σ_{3}[/math] son los autovalores de [math]σ[/math] también conocidos como tensiones principales. Se trata de una magnitud escalar que se suele usar como indicador para saber cuando un material inicia un comportamiento plástico y no elástico puro. Debe su nombre a Richard Edler von Mises quien propuso que un material dúctil sufría fallo elástico cuando la energía de distorsión elástica rebasaba cierto valor, sin embargo, el criterio fue claramente formulado con anterioridad por Maxwell en 1865.

En nuestro caso, la tensión alcanza su valor máximo en varios puntos, los cuales, coinciden con los valores máximos y mínimos de las tensiones tangenciales. Si nos fijamos esto guarda relación con las deformaciones antes del desplazamiento. Su valor máximo es [math]0.6981[/math].

derecha
clc; clear all
%Definición de regiones
h=1/5; 
x=[-1:h:1];          
y=[0:h:12];

%Matriz de X e Y
[X,Y]=meshgrid(x,y);
MVonM=0.*Y;

%Definimos la funcion de Von mises donde tp1,2,3 son las tensiones principales
VonMises=inline('(((tp1-tp2)^2+(tp2-tp3)^2+(tp3-tp1)^2)/2)^(1/2)','tp1','tp2','tp3');
[M,N]=size(Y);

%Le asignamos a la matriz MVonM los valores de la tension de Von Mises en cada punto
for i=1:M
 for j=1:N
  sigma=[(pi/9)*cos(pi/3*Y(i,j)) 0 0; 0 pi/3*cos(pi/3*Y(i,j)) 0; 0 0 pi/9*cos(pi/3*Y(i,j))];
  Autovalores=eig(sigma);
  A1=Autovalores(1);
  A2=Autovalores(2);
  A3=Autovalores(3);
  MVonM(i,j)=VonMises(A1,A2,A3);
 end
end

%Graficamos
surf(X,Y,MVonM)
shading flat
axis equal
title('Tension de Von Mises');
xlabel('Eje X');
ylabel('Eje Y','Rotation',pi/2);
view(2);
colorbar
max(max(MVonM))


11 Velocidad de propagación

Ya llegando al conclusión del trabajo. Nos encontramos con un apartado que pone de manifiesto las relaciones existentes entre los distintos apartados que se han ido resolviendo hasta llegar hasta aquí. Des-

de la introducción de este trabajo hemos estado atajando distintos sucesos que le ocurrían a la sección de un solido determinado como la temperatura, [math] \vec{T}(x,y)[/math], o el campo deformaciones, [math] \vec{u}(x,y,t)[/math]. Ahora
bien, en este apartada aondará en la fuerza que recibe el mallado, causante de las deformaciones ocasionadas por [math] \vec{u}(x,y,t)[/math] .
Esta fuerza viene descrita por la ecuación diferencial [math]\vec{F} = \frac{d^2\vec{u}}{dt^2} - \bigtriangledown \cdot \sigma[/math]. Estas deformaciones, se propagan con una cierta ve-
locidad , [math] \vec{v}[/math], que será calculada suponiendo [math] \vec{F} = 0[/math] y en función de los terminos de lame expuestos en el apartado 8,[math]\lambda, \mu [/math]. Al es-
tar igualado a 0, el ejercicio radica en igualar ambos sumandos y de ahí despejar [math] \vec{v}[/math].
Comenzaremos por la divergencia de [math] \sigma [/math], esta será redefinida para este apartado dado que en su momento se especifico que t = 0, hecho que en este apartado no podemos suponer. Por lo que [math] \vec{u}(x,y,t)[/math] pa-

sa a ser:
[math]\frac{1}{3}sin(\frac{\pi}{3}{y}-vt)\vec{j}[/math] y [math] \sigma[/math] = [math]\lambda\bigtriangledown \cdot \vec{u}I+2\mu\epsilon[/math] = [math]\lambda\cdot \frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)\cdot I (\vec i \otimes \vec i)(\vec j \otimes \vec j)(\vec k \otimes \vec k) + 2\mu\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)(\vec j \otimes \vec j)[/math] =
[math](\lambda)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)(\vec i \otimes \vec i) +(\lambda+2\mu)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)(\vec j \otimes \vec j) + (\lambda)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)\vec k \otimes \vec k [/math].

Ya redefinida [math] \sigma [/math] se procera al calculo de la divergencia [math]\bigtriangledown \cdot \sigma [/math]:

[math]\bigtriangledown \cdot \sigma [/math] = \begin{pmatrix} \frac{\partial ((\lambda)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)) }{\partial x} & 0 & 0 \\0 & \frac{\partial ((\lambda+2\mu)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt))}{\partial y} & 0 \\ 0 & 0 & \frac{\partial ((\lambda)\frac{\pi}{9}cos(\frac{\pi}{3}{y}-vt)) }{\partial k}\end{pmatrix}= [math]\begin{pmatrix} 0\\ -(\lambda+2\mu)\frac{(\pi)^2}{27}sen(\frac{\pi}{3}{y}-vt)\\ 0\end{pmatrix}[/math]



En segundo lugar se calculara la segunda derivada parcial de [math] \vec{u}(x,y,t)[/math] respecto al tiempo t [math]\frac{\partial ^2\vec{u}}{\partial t^2}[/math]. Para llevar a cavo este calculo se partira de la primera derivada de [math] \vec{u}(x,y,t) [/math] \quad = \quad [math] \frac{\partial \vec{u}(x,y,t)}{\partial t} [/math] .

[math]\frac{\partial \vec{u}(x,y,t)}{\partial t}[/math]: [math]\frac{\partial \vec{u}(x,y,t)}{\partial t}[/math] = [math] (-\frac{1}{3}vcos(\frac{\pi}{3}{y}-vt))\vec{j} [/math]

[math]\frac{\partial ^2\vec{u}}{\partial t^2} \quad = \quad frac{\partial (-\frac{1}{3}vcos(\frac{\pi}{3}{y}-vt))}{ \partial t} \quad = \quad (-\frac{1}{3}v^2sen(\frac{\pi}{3}{y}-vt))\vec{j}[/math]

Ya cerca del final, se realizara la igualación de ambos terminos, dado que [math]\vec{F} \quad = \quad 0 [/math]. No se indicaran los índices vectoriales hasta el final, ya que ambos sumandos trabajan en [math] \vec{j}[/math].

[math]\vec{F} = \frac{\partial ^2\vec{u}}{\partial t^2} - \bigtriangledown \cdot \sigma \quad = \quad 0; \quad -\frac{1}{3}v^2sen(\frac{\pi}{9}{y}-vt) \quad + \quad (\lambda+2\mu)\frac{(\pi)^2}{27}sen(\frac{\pi}{3}{y}-vt) \quad = 0[/math]
[math] -\frac{1}{3}v^2sen(\frac{\pi}{3}{y}-vt) \quad=\quad -(\lambda+2\mu)\frac{(\pi)^2}{27}sen(\frac{\pi}{3}{y}-vt); [/math]
[math] \quad \frac{1}{3}v^2\quad = \quad (\lambda+2\mu)\frac{(\pi)^2}{27} [/math]
[math] v^2 = \quad (\lambda+2\mu)\frac{(\pi)^2}{9};[/math]
[math] v= \quad {sqrt{(\lambda+2\mu){\frac{(\pi)^2}{9}}}; [/math]

{\sqrt{(frac{(\pi)^2}{3}}}\vec{j}

{\sqrt {\frac {x} {y}}} [math]v^2[/math] = [math](\lambda+2\mu)\vec{i}[/math]


v= [math]\sqrt(\lambda+2\mu)\vec{i}[/math]

12 Módulo de desplazamiento transversal

Fijamos el punto [math]P(x,y)=(1/2,1)[/math] y calculamos el módulo del desplazamiento trasversal (dirección [math]\vec{j}[/math]) a lo largo de [math]t ∈ [0, 10][/math]

Tenemos los siguientes datos:

[math]\vec{u}=\frac{1}{3}sen((\frac{π}{3}y)-vt)·\vec{j}[/math]

[math]|\vec{v}|=1.81[/math] (la velocidad se calculo previamente en el apartado 11)

[math]P(x,y)=(1/2,1); x=1/2, y=1[/math]


Sustituimos los datos para calcular el módulo de [math]\vec{u}[/math]

[math]|\vec{u}|=|\frac{1}{3}sen((\frac{π}{3}y)-vt)·\vec{j}|=\frac{1}{3}sen((\frac{π}{3})-1.81t)[/math]

Para representar el módulo del desplazamiento trasversal consideramos que [math]t ∈ [0, 10][/math]

Figura12
clc
clear
%Generar el vector t
t=linspace(0,10,100);
%Módulo de la velocidad
v=1.81;

%Función del desplazamiento en t
u=1/3.*sin(pi/3-v.*t);
%Gráfico de la función desplazamiento
plot(t,u,'LineWidth',2)
%Titulo,ejes,leyenda, mallado
title('Desplazamiento trasversal a lo largo de t')
xlabel('Tiempo (s)')
ylabel('Desplazamiento')
grid on