Diferencia entre revisiones de «Grupo15»

Revisión del 20:08 11 dic 2023

\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]. 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:

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

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); %TEMP 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
title('CAMPO DE TEMPERATURAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
subplot(1,3,2) %GRÁFICO INFERIOR
contour(X,Y,T,50);
axis ([-1.0,1.0,-0.5,12.5]);
title('CURVAS DE NIVEL')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar %BARRA DE COLORES
Tmax=max(max(T))
subplot(1,3,3)
axis ([-1.25,1.25,-0.5,12.5]) 
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') 
title('CURVAS DE NIVEL NUMERADAS')
xlabel('eje X')
ylabel('eje Y')
colorbar

3 Energía calorífica

La energía calorífica viene dada por la Ley de Fourier [math]\vec{Q}=−κ∇T[/math], donde κ es la constante de conductividad térmica de la placa que supondremos κ = 1.

Figura 2

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);
 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, t)=\vec{a}sin(\pi k(\vec{d}·\vec{r_{0}}))[/math].

Figura 3

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);
%Función T
 T=3*log(1+(X+1).^2)+log(1+(Y-2).^2);
%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

6 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 \vec{u} 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.

7 Cálculo del rotacional del campo de deformaciones

8 Rotacional de un campo de desplazamientos

Sea |∇ × \vec{u}| 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} \\ d/dx & d/dy & d/dz\\ 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}) = (0,1/3sin((\pi*y)/3), 0)[/math] previo, procedemos a hacer los cálculos:

[math]\ \bigtriangledown \times \vec{u} = \begin{vmatrix}\vec{i} & \vec{j} &\vec{k} \\ d/dx & d/dy & d/dz\\ ux & uy & uz\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ d/dx & d/dy & d/dz \\ 0 & 1/3sin((\pi*y)/3) & 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]

9 Tensor deformaciones

10 Cálculo de tensiones tangenciales

11 Tensión de Von Mises

12 Velocidad de propagación

13 Módulo de desplazamiento transversal