Ecuaciones Diferenciales, Matemática aplicada - Appd Math

Solución Total de una Ecuación Diferencial con condiciones iniciales

Para hallar la solución total de una Ecuación Diferencial Ordinaria (EDO) debemos realizar los siguientes pasos:
  1. Determinar la solución homogénea Yh(t) ;
  2. Evaluar la solución particular Yp(t) para la señal de entrada dada
  3. Hallar la solución total mediante la suma Yh(t) + Yp(t) ;
  4. Solucionar el sistema de ecuaciones lineales obtenido a fin de satisfacer las condiciones iniciales dadas (Solución única).
Nota: Si tenemos una Ecuación Diferencial de orden n, necesitaremos n condiciones iniciales para determinar la solución única.
Ecuaciones diferenciales - Problemas resueltos - Catálogo
La respuesta completa o solución completa de una ecuación diferencial ordinaria (EDO – que involucra derivadas de una función de una sola variable) está conformada por la suma de la respuesta transitoria y la respuesta permanente.
  1. Determinar la respuesta y(t) para la siguiente ecuación diferencial, con entrada x(t)  y condiciones iniciales señaladas:
Ecuaciones diferenciales – Problemas resueltos – Catálogo
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Ecuación Diferencial de orden superior.
  1. Determinar la solución completa de la siguiente EDO:
null Dónde: null

RESPUESTA EJERCICIO 1.

La solución completa o total y(t) para una EDO viene dada por: nullSolución homogénea Para hallar la solución homogénea Yh(t)  suponemos F(t)=0. Es decir: null Con los coeficientes de la ecuación anterior formamos el polinomio D(p). Al igualar D(p)=0, formamos una ecuación denominada ecuación característica: null Debemos hallar ahora las raíces de la ecuación característica, las cuáles son: null Aplicando las reglas para hallar la solución homogénea Yh(t) (ver Anexos), podemos determinar que: null Solución particular Utilizando el polinomio D(p) formamos la siguiente ecuación: null Es decir: null Aplicando las reglas para hallar la solución particular (ver anexo), podemos determinar Yp(t)  como: null Solución Total Como se señaló anteriormente, la solución completa o total Y(t)  viene dada por: null Es decir: null Solución Única Para hallar la solución única debemos determinar el valor de las constantes C1 , C2 y C3 utilizando las condiciones iniciales para crear y resolver un sistema de ecuaciones típico: null Resolviendo el sistema anterior obtenemos que: null Por tanto, la solución única es: null
ANEXOS
null null null null Escrito por Prof. Larry Francis Obando – Technical Specialist – Educational Content Writer – WhatsApp: +34 633129287 – Atención Inmediata!! Twitter: @dademuch Mentoring Académico / Emprendedores / Empresarial Copywriting, Content Marketing, Tesis, Monografías, Paper Académicos, White Papers (Español – Inglés) Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Simón Bolívar, USB Valle de Sartenejas. Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central de Venezuela, UCV CCs Escuela de Turismo de la Universidad Simón Bolívar, Núcleo Litoral. Contacto: España +34 633129287 Caracas, Valladolid, Quito, Guayaquil, Jaén, Villafranca de Ordizia.  WhatsApp: +34 633129287

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Ecuaciones Diferenciales, Física Aplicada, Matemática aplicada - Appd Math, Sistemas Mecánicos

Problema de ecuaciones diferenciales con condiciones iniciales – Sistema masa, resorte, amortiguador.

La respuesta completa o solución completa de una ecuación diferencial ordinaria (EDO – que involucra derivadas de una función de una sola variable) está conformada por la suma de la respuesta transitoria y la respuesta permanente. La respuesta permanente es la solución asociada a una excitación F(t) del sistema. Es por ello que también se le conoce como respuesta forzada o solución particular. Cuando la excitación del sistema es nula, es decir F(t)=0, la respuesta del sistema se conoce como respuesta natural, transitoria, o solución homogénea.

Para hallar la solución total de una EDO debemos realizar los siguientes pasos:

  1. Determinar la solución homogénea Yh(t) ;
  2. Evaluar la solución particular Yp(t) para la señal de entrada dada
  3. Hallar la solución total mediante la suma Yh(t) + Yp(t) ;
  4. Solucionar el sistema de ecuaciones lineales obtenido a fin de satisfacer las condiciones iniciales dadas (Solución única).

Nota: Si tenemos una Ecuación Diferencial de orden n, necesitaremos n condiciones iniciales para determinar la solución única.

Presentamos a continuación tres ejemplos. El primero es un ejemplo para visualizar el método general de resolver ecuaciones diferenciales. Mientras, el segundo y el tercero están referidos al sistema masa-resorte-amortiguador en dos sistemas: MKS y sistema inglés. Las reglas utilizadas para resolver estas ecuaciones aparecen al final del artículo (Anexos).

Ecuación Diferencial de orden superior.
  1. Determinar la solución completa de la siguiente EDO:

nullDónde:

null

RESPUESTA EJERCICIO 1.

La solución completa o total y(t) para una EDO viene dada por:

nullSolución homogénea

Para hallar la solución homogénea Yh(t)  suponemos F(t)=0. Es decir:

null

Con los coeficientes de la ecuación anterior formamos el polinomio D(p). Al igualar D(p)=0, formamos una ecuación denominada ecuación característica:

null

Debemos hallar ahora las raíces de la ecuación característica, las cuáles son:

null

Aplicando las reglas para hallar la solución homogénea Yh(t) (ver Anexos), podemos determinar que:

null

Solución particular

Utilizando el polinomio D(p) formamos la siguiente ecuación:

null

Es decir:

null

Aplicando las reglas para hallar la solución particular (ver Anexos), podemos determinar Yp(t)  como:

nullSolución Total

Como se señaló anteriormente, la solución completa o total Y(t)  viene dada por:

nullEs decir:null

Solución Única

Para hallar la solución única debemos determinar el valor de las constantes C1 , C2 y C3 utilizando las condiciones iniciales para crear y resolver un sistema de ecuaciones típico:

null

Resolviendo el sistema anterior obtenemos que:

null

Por tanto, la solución única es:

null

Ejemplos - Sistema masa, resorte, amortiguador.

La ecuación diferencial de segundo orden que representa el concepto de vibración mecánica de un sistema masa-resorte-amortiguador en particular, es la siguiente:

nullDonde:null

2. Sistema MKS: Resolver el problema de ecuaciones diferenciales con condiciones iniciales para el siguiente sistema de resorte-masa-amortiguador. Se sabe que un peso de 10 N alarga un resorte 2 metros. El mecanismo amortiguador ejerce una fuerza de 6 N para una velocidad de 2 m/seg. Se fija el resorte un peso de 10 N y se suelta el resorte desde una posición de 2 m debajo de la posición de equilibrio. En el momento en que se suelta, el sistema tiene una velocidad de 1 m/seg.

3. Sistema Inglés: Se sabe que un peso de 5 libras alarga un resorte 1 pulgada. El mecanismo amortiguador ejerce una fuerza de 0.02 libras para una velocidad de 2 pulg/seg. Se fija al resorte un peso de 2 libras y se suelta el resorte desde una posición de 2 pulgadas debajo de la posición de equilibrio. En el momento en que se suelta, el sistema tiene una velocidad de 1 pulg/seg.

Suponemos que en el tiempo t=0 la masa es jalada hacia abajo (sentido positivo). Luego, cada parte del enunciado del problema representa cada una de las fuerzas que intervienen en la ecuación (1). Aplicamos superposición una vez más y evaluamos cada fuerza por separado. Sustituimos los valores dados en el enunciado para hallar el valor de las constantes KaKr y m.

RESPUESTA EJERCICIO 2.

  1. Sistema MKS:

Se sabe que un peso de 10 N (Fr) alarga el resorte 2 metros (y):

nullDónde:nullPor tanto:null

El mecanismo amortiguador ejerce una fuerza de 6 N (Fa) para una velocidad de 2 m/seg (va).  Es decir:nullDónde:nullPor tanto:null

Se fija el resorte un peso de 10 N (w) y se suelta el resorte desde una posición de 2 m (y0) debajo de la posición de equilibrio. Es decir:

null

La ecuación diferencial de segundo orden que representa el concepto de vibración mecánica es la siguiente:

null

Solución homogénea

Para hallar la respuesta natural, suponemos F(t)=0, es decir:

null

La manera más práctica de resolver esta ecuación es reordenarla y expresarla en su forma estándar, es decir, como un polinomio en el cual el coeficiente de grado más alto (el que acompaña a la derivada más alta) es igual a uno.

Dividimos cada término del polinomio entre m, haciendo el primer coeficiente de la ecuación igual a 1:nullSustituyendo los valores del problema 2 en la anterior ecuación, obtenemos:

nullAplicamos el operador P=dy/dt:

null

Debemos hallar ahora las raíces de la ecuación característica, las cuáles son:

null

Se puede afirmar que las soluciones asociadas a cada raíz vienen dadas por:

null

Solución particular

Utilizando el polinomio D(p) formamos la siguiente ecuación:

null

Es decir:

null

Aplicando las reglas para hallar la solución particular (ver Anexos), podemos determinar Yp(t)  como:

null

Solución Total

Como se señaló anteriormente, la solución completa o total Y(t)  viene dada por:

nullEs decir:null

Solución Única

Para hallar la solución única debemos determinar el valor de las constantes C1 y C2 utilizando las condiciones iniciales para crear y resolver un sistema de ecuaciones típico.

Se suelta el resorte desde una posición de 2 m debajo de la posición de equilibrio. En el momento en que se suelta, el sistema tiene una velocidad de 1 m/seg. Es decir:

null

Utilizando la ecuación para la solución total y(t), obtenemos las siguientes ecuaciones del sistema para t=0:

null

De donde obtenemos que:

null

Por tanto la solución única según las condiciones iniciales, es:

null

RESPUESTA EJERCICIO 3

2. Sistema Inglés:

Se sabe que un peso de 5 libras (Fr) alarga el resorte 1 pulgada (y). Es decir:

nullDe dónde:nullPor tanto:

null

El mecanismo amortiguador ejerce una fuerza de 0.02 libras (Fa) para una velocidad de 2 pulg/seg (va).  Es decir:

nullDónde:null

Por tanto:

null

Se fija el resorte un peso de 2 libras (w) y se suelta el resorte desde una posición de 2 pulgadas (y0) debajo de la posición de equilibrio. Es decir:

null

La ecuación diferencial de segundo orden que representa el concepto de vibración mecánica es la siguiente:

null

Para hallar la respuesta natural, suponemos F(t)=0, es decir:

null

La manera más práctica de resolver esta ecuación es reordenarla y expresarla en su forma estándar, es decir, como un polinomio en el cual el coeficiente de grado más alto (el que acompaña a la derivada más alta) es igual a uno.

Dividimos cada término del polinomio entre m, haciendo el primer coeficiente de la ecuación igual a 1:

nullSustituyendo valores:

null

Es decir:

null

Aplicamos el operador p=dy/dt:

null

Calculamos las raíces que anulan el polinomio anterior (matlab):

null

Se puede afirmar que las soluciones asociadas a cada raíz (respuesta natural) vienen dadas por:

null

…En construcción…

ANEXOS

null

null

null

null

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Circuit Analysis, Ecuaciones Diferenciales, Electrical Engineer, Elementos Básicos, Literature Review, Señales y Sistemas, Sin categoría

EL CAPACITOR. Relación corriente-voltaje.

Formalmente, la Capacitancia es la razón entre la carga de una placa del capacitor y la diferencia de tensión entre las dos placas:

null

Relación corriente-voltaje del capacitor

Para obtener la relación de corriente-tensión del capacitor, primero es necesario estudiar la relación entre la carga q y la corriente i. Dicha relación viene dada por la ecuación:

null

Para encontrar la carga q de las placas en el tiempo t se integra sobre todo el tiempo anterior:

null

Utilizando el hecho de que q=Cv, obtenemos la relación corriente-tensión del capacitor (suponiendo un capacitor lineal, es decir, que no depende del valor de la tensión v en el tiempo):

null

null

O sea:

null

Otra forma de presentar este resultado es mediante la fórmula:

null

Utilizando esta última ecuación, podemos graficar la relación corriente-voltaje del capacitor de la manera siguiente:

null

Recomiendo leer la siguiente guía: Capacitores e Inductores – Circuitos y asociaciones

Preliminares

Por tanto se concluye que la intensidad del campo eléctrico en cualquier punto a una distancia r de una carga puntual de Q coulombs, será directamente proporcional a la magnitud de la carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la carga.

Capacitancia

Al instante en que el interruptor se cierra, se extraen los electrones de la placa superior y se depositan sobre la placa inferior debido a la batería, dando por resultado una carga neta positiva sobre la placa superior del capacitor y una carga negativa sobre la placa inferior…Cuando el voltaje en el capacitor es igual al de la batería, cesa la transferencia de electrones y la placa tendrá una carga neta Q=CV=CE

En este punto el capacitor asumirá las características de un circuito abierto: una caída de voltaje en las placas sin flujo de carga entre las placas.

El voltaje en un capacitor no puede cambiar de forma instantánea.

De hecho, la capacitancia en una red es también una medida de cuanto se opondrá ésta a un cambio en el voltaje de la red. Mientras mayor sea la capacitancia, mayor será la constante de tiempo y mayor el tiempo que le tomará cargar hasta su valor final

Ejemplo 2.2 (Fuente:3) La Figura 2.3 muestra un sistema compuesto por una resistencia y un capacitor, y cuyos valores son representados respectivamente por R y C. Además, la figura muestra que el sistema eléctrico es excitado por una señal x(t) = u(t) y su respuesta es medida a través de la tensión sobre el capacitor, donde u(t) representa la función escalón unitario:

El modelo matemático asociado al sistema representado por la Figura 2.3 puede obtenerse empleando elementales ecuación de redes eléctricas:

Entonces, al comparar el modelo matemático definido por la Ecuación (2.12) con el modelo obtenido, se tiene que el coeficiente a0 y la señal de excitación son:

,

Al aplicar la solución expresada por medio de la Ecuación (2.21), se puede afirmar que:

Al operar la Ecuación (2.26) se tiene que la respuesta del sistema es dada por:

Note que:

por cuanto el elemento de memoria representado por el capacitor no permite cambios bruscos y por tal motivo y(0-) = y(0) = y(0+). Además, para buscar una respuesta a la pregunta debe tomarse en cuenta que la excitación tiene un valor de cero y ella ha permanecido en cero desde mucho tiempo atrás, es decir, desde menos infinito, obviamente y(0) = 0.

Recomiendo leer la siguiente guía: Capacitores e Inductores – Circuitos y asociaciones

Fuentes:

  1. Introduccion-al-analisis-de-circuitos-robert-l-boylestad,
    1. El Parámetro Capacitancia p 20
  2. Análisis de Redes – Van Valkenburg,
    1. El Parámetro Capacitancia p 20
  3. Análisis de Sistemas Lineales – Prof. Ebert Brea
    1. Análisis de Sistemas en el Dominio Continuo pp 29 –
  4. Fundamentos_de_circuitos_electricos_5ta

SIGUIENTE:

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Ecuaciones Diferenciales, Matemática aplicada - Appd Math

Introduction to differential equation and modeling

Fuente: Introduction to Differential Equations

    1. Motivation
    2. A secret function
    3. Cell division
    4. Classification of differential equations
    5. Homogeneous linear ODE
    6. Introduction to modeling
    7. Model of a savings account
    8. Application: mixing salt water solution
    9. Systems and signals
    10. Newtonian mechanics
    11. 5 step modeling process

Today’s objectives

  1. Identify linear first order differential equations.
  2. Model behavior of certain systems using first order linear differential equations.
  3. Use the input signal and system response paradigm to obtain an ODE for a physical system.
  4. Check reasonableness of models using unit analysis .

 

Definition 3.2 An initial value problem is a differential equation together with initial conditions.

 

4. Cell division

Here we will see how the differential equation for our secret function appears when modeling a natural phenomenon – the population growth of a colony of cells…In this example we’ll model the number of yeast cells in a batch of dough. As we work through this example, pay careful attention to the assumptions we make, and how the initial condition plays a role in the resulting differential equation.

For our system, we assume we have a colony of yeast cells in a batch of bread dough. The first step is to identify the variables, the units, and give them names.

y

number of cells

t

time measured in seconds

We also need to set some initial condition, y0, the number of cells that we begin with at t=0. In this system, this might be the number of yeast cells in a yeast packet.

A differential model

If y denotes the number of yeast cells, what can we say about the derivative y˙? The derivative represents the rate at which the number of cells is growing. How should it depend on the number of cells? In nature, cells given plenty of space and food tend to divide through mitosis regularly. If we assume that each cell is dividing independently of all other cells, then doubling the number of cells should double the rate at which new cells are born. In fact, multiplying the number of cells by any scalar factor should do the same to the derivative. So this directly implies that the growth rate of cells is proportional to the number of cells:

y˙∝y.

We can make this into a true equation by simply inserting a proportionality constant a, such that

y˙=ay.

We say that 1/a is a “characteristic” timescale for our problem, setting the rate at which the cells divide. A solution to the above differential equation is

where y0 is the number of yeast cells we started with at t=0. In our case, we assume that y0 is the number of yeast cells in a packet, which is about 180 billion yeast cells.

5. Classification of differential equations

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There are two kinds:

  • An ordinary differential equation (ODE) involves derivatives of a function of only one variable.
  • A partial differential equation (PDE) involves partial derivatives of a multivariable function.

When we consider ODEs, we will often regard the independent variable to be time…The dot notation y˙ should only be used to refer to a time derivative. If for example y is a function of a spacial variable y=y(x), we will only use the notation y′ to denote the derivative with respect to x.

Definition 5.1 The order of a DE is the highest n such that the nth derivative of the function appears…

The order is 5, because the highest derivative that appears is the 5th derivative, y(5).

7. Natural growth and decay equations..We’ve been introduced to a few basic forms of differential equations so far. The first equation we saw was a basic growth equation,

y˙=ay,

which, when a is a positive constant, governs systems like bank accounts and cell populations. If we put a negative sign in front of a we get the decay equation

y˙=−ay,

which can be used to describe things like radioactive decay of materials.

How would you classify the differential equations y˙=ay and y˙=−ay just discussed? Choose all descriptors that apply…
Solution:

These two equations are both first order, linear, homogeneous differential equations. To see that these equations are homogeneous, we can either check that y=0 is a solution (it is), or we can rewrite them in standard linear form:

8. Introduction to modeling

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There are two kinds of modeling. We’re not going to talk about the kind that involves fancy clothes and photographs. The other kind, mathematical modeling , is converting a real-world problem into mathematical equations.

Guidelines:

  1. Identify relevant quantities, both known and unknown, and give them symbols. Find the units for each.
  2. Identify the independent variable(s). The other quantities will be functions of them, or constants. Often time is the only independent variable.
  3. Write down equations expressing how the functions change in response to small changes in the independent variable(s). Also write down any “laws of nature” relating the variables. As a check, make sure that all summands in an equation have the same units.

Often simplifying assumptions need to be made; the challenge is to simplify the equations so that they can be solved but so that they still describe the real-world system well.

I have a savings account earning interest compounded daily, and I make frequent deposits or withdrawals into the account. Find an ODE with initial condition to model the balance.

Simplifying assumptions:

  • Daily compounding is almost the same as continuous compounding, so let’s assume that interest is paid continuously instead of at the end of each day.
  • Similarly, let’s assume that my deposits/withdrawals are frequent enough that they can be approximated by a continuous money flow at a certain rate, the net deposit rate (which is negative when I am withdrawing).

Variables and functions (with units): Define the following:

P

the initial amount that the account starts with (dollars)

t

time from the start (years)

x

balance (dollars)

I

the interest rate (year−1; for example 4%/year=0.04year−1)

q

the net deposit rate (dollars/year).

Here t is the independent variable, P is a constant, and x, I, q are functions of t.

Equations: Now we want to decide how the balance changes as time changes. We’ll estimate the change in the balance Δxas time increases from some time t to a time t+Δt. We can approximate the interest earned per dollar to be:

Note that the units in each of the three terms are dollars/year. Also, there is the initial condition x(0)=P. Thus we have an ODE with initial condition:

Now that the modeling is done, the next step might be to solve this DE, but we won’t do that yet.

Remark 9.2 The notation we chose suggested that the interest rate I depended only on time. However, I could have depended on x as well. This would not change the modeling process. If I does not depend on x, we obtain a linear differential equation. If it does, the equation is nonlinear.

Video: Application: mixing salt water solution

Systems and signals

Let’s get back to the savings account model:

x˙=I(t)x+q(t).

Maybe for financial planning I am interested in testing different saving strategies (different functions q) to see what balances x they result in. To help with this, rewrite the ODE as

In the “systems and signals” language of engineering, q is called the input signal , the bank is the system , and x is the output signal . These terms do not have a mathematical meaning dictated by the DE alone; their interpretation is guided by the system being modeled. But the general picture is this:

The system may be a mechanical system such as an automobile suspension or an electrical circuit, or an economic market. It is impacted by some external signal. We are interested in understanding how the system responds to the external stimulus.

  • The input signal is the external stimulus. It usually does not appear in as simple a way in the DE as it does in the example above. But it does always determine the right hand side of the DE (when written in standard linear form).
  • The system response (also called output signal ) is the measurable behavior of the system that we are interested in. It is always the unknown function that we write a differential equation for.
  • All differential equations have many solutions. The solution of interest is often determined by the state of the system at the beginning. This initial state is given by the initial conditions.

Newtonian mechanics

Let’s try to put this into the input/ system response paradigm we’ve just introduced. The system response is the displacement of the mass. This is what we are interested in.

What is the input signal? You could imagine that there are other forces acting on the mass, like there is a sail on the mass, and wind is blowing on the sail creating an input signal. But we are going to start by considering the case where the input signal is 0. Note that pulling the cart back and releasing it specifies the initial state of the system, that is, it gives the initial conditions.

Now we are ready to write down the differential equation . The equation is governed by Newton’s second law

We need to identify the forces acting on the mass. There is the force due to the spring. For the moment, we assume that air resistance is negligible, and there is no friction on the cart.

What is the spring force? When the displacement is positive, the spring is stretched, the force is negative. When the displacement is negative, the spring is compressed, the force is positive. Thus this force is modeled linearly by Hooke’s law:

which is a function of the displacement x away from the neutral position x=0. Note that this linear model is only valid for relatively small displacements. If we stretch the spring too far, the spring force won’t obey this linear law anymore.

The position at time t=0 is x(0)=x0 for some positive displacement x0>0. From the problem statement, we assume that we release the cart with zero initial velocity, x˙(0)=0.

Putting this all together, we get:

with initial conditions:

The last step is to write this in standard linear form . We obtain the following differential equation:

Now let’s consider the same mass/spring system as above where we’ve add a sail to the mass.

The mass now experiences an additional external force from the wind. How does this change the model?

Solution: The model is exactly the same. The only difference is that the input signal is no longer zero, rather it is now the external force due to the wind on the sail. This external force Fwind(t) depends on time in some complicated way that we will not try to write down. The differential equation for this system is:

5 step modeling process

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In the example on the previous page, we outlined a 5 step modeling process that we make explicit here.

  1. Draw a diagram of the system.
  2. Identify and give symbols for the parameters and variables of the system.
  3. Decide on the input signal and the system response. Identify any initial conditions.
  4. Write down a differential equation relating the input signal and the system response.
  5. Rewrite the equation in standard linear form with initial conditions.

Written by: Larry Francis Obando – Technical Specialist

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