Modelado de sistemas mecánicos.

Cómo ya se vio en la sección de “Modelos matemáticos”, se busca encontrar una representación matemática de los sistemas físicos, por lo tanto se analiza cada uno de los componentes y se presenta un modelo de su comportamiento.

En los sistemas mecánicos, de manera general, los elementos  a estudiar se puede dividir en 3 tipos,

  • Elementos de inercia. Son aquellos que debido a su masa pueden tener inercia, es decir, que con un cambio de fuerza producen un cambio en la aceleración
    \[
    Inercia=\frac{F}{a}
    \]
  • Elementos de almacenamiento de energía. Son aquellos elementos que debido a sus características pueden mantener la energía del sistema, en este caso resortes.
    \[
    F=kx
    \]
  • Elementos de absorción de energía. Son aquellos que elementos que debido a sus características, le quitan energía al sistema, en este caso amortiguadores.
    \[
    F=b\dot{x}
    \]

Consideraciones: al estudiar sistemas dinámicos como el sistema masa-resorte-amortiguador, se deben tener algunas suposiciones en cuenta.

1.- Todos los resortes a estudiar, son lineales, es decir, que pueden ser deformados por una fuerza externa y ésta deformación será directamente proporcional a la fuerza aplicada.

Figura 2: Resorte ideal (azul), duro (verde) y suave (rojo), se trabaja solamente con la parte lineal del resorte (azul).

Por lo tanto la fuerza en un resorte se calcula en base a su constante de elasticidad $k$ y el desplazamiento total $x$ que sufre el resorte,
\[
F=kx=k(x_{1}-x_{2}) \ \ \ \ k=\left[ \frac{N}{m} \right] \ \ \ x=\left[m\right]
\]

Resorte sometido a una fuerza

Figura 3: Resorte sometido a una fuerza.

Recuerde que al ser un resorte ideal, solamente ejerce una fuerza cuando un desplazamiento lo afecta; además su masa y los efectos intrínsecos de amortiguamiento se desprecian.

2.- Todos los amortiguadores son ideales, es decir su masa y elasticidad intrínseca son despreciables, además se supone que el amortiguador disipa toda la energía sin dificultad.

Figura 4: Amortiguador sometido a una fuerza.

Note que en la Figura 4 se muestra a $\dot{x}_{1}$ y $\dot{x}_{2}$ las cuales son velocidades, no posiciones. Esto es debido a que el amortiguador solo ejerce fuerza cuando una diferencia de velocidad entre sus extremos es aplicada.

La fuerza que actúa sobre el amortiguador está dada por,
\[
F=b\dot{x}=b(\dot{x}_{1}-\dot{x}_{2}) \ \ \ \ [\frac{N}{m/s}]
\]

donde, $b$ es el coeficiente de fricción viscosa del amortiguador.