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    Universidad ECCI. Aplicación Métodos numéricos

    1 [email protected] 

     APLICACIÓN DE MÉTODO NUMÉRICO

    Caso I Aplicada al Crecimiento Poblacional 

    Barreto Natalia

    (Cód.: 11114)

    Universidad ECCI

    Resumen

    Este tiene como finalidad presentar la aplicación de una ecuación diferencial

    de primer orden y aplicar el método de Runge Kutta y en este sentido

    comparar los resultados del problema.

    Palabras clave: Modelo matemático, método, ecuación, interrogante,

    población, tiempo, crecimiento. 

     Abstract

    This is to present the application of a differential equation of the first order

    and develop the method Runge Kuta to compare the results of Problem.

    Keywords: Mathematical model , method , equation, question , people , time,

    growth.

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    1.  INTRODUCCIÓN

    A diario los estudiantes se

    preguntan para que ver, modelos

    matemáticos, este es uno de los

    tantos casos en que se puede

    Implementar un método numérico ycon base en el resultado se ayuda

    por ejemplo: en la toma de

    decisiones frente a un proyecto

    urbanístico, control de riesgos por

    sobrepoblación, cobertura en salud,

    escasez de empleo, abastecimiento

    en servicios públicos, entre otros.

    También puede aplicarse al

    crecimiento bacteriano.

    Los métodos numéricos son una

    herramienta muy valiosa e

    importante para la resolución de

    problemas prácticos de Ingeniería y

    otras áreas , los métodos numéricos

    son técnicas mediante las cuales es

    posible formular problemas de

    manera que puedan resolverse

    utilizando operaciones aritméticas, o

    también se puede interpretar como

    el diseño y análisis de algoritmos

    necesarios para resolver problemas

    de ciencia e ingeniería por ello el

    objetivo de este trabajo es presentar

    de manera sencilla el método

    numérico de Runge-Kutta y la

    implementación de los sistemas

    numéricos en el computador.

    2. OBJETIVO GENERAL

      Plantear, aplicar y resolver una

    ecuación diferencial para dar

    respuesta a un interrogante directo

    de la cotidianidad o vivencia que

    surge en la vida real.

    Objetivos específicos

      Obtener una aproximación de cuanto

    aumenta la población, en

    determinado lapso de tiempo.

      Emplear el método de Runge Kutta

    para aproximar soluciones de

    ecuaciones diferenciales.

    3. DISEÑO EXPERIMENTAL

      Ejercicio de aplicación 

    El crecimiento de una ciudad es

    proporcional al número de

    habitantes, si la población inicial es

    de 4 habitantes y al cabo de 3 años

    es de 4,5.

    a. 

    Cuánto tiempo tardará en

    duplicarse la población

    inicial?

    b.  Qué población habrá en 10

    años?

      Datos iniciales

    Po = 4 H

    t = 3 Años

    Pf en tres años = 4,5H

    2(población inicial) = 8 H.

    a. 

    T=?P=2 (400)

    b. 

    T=10 años

    P=?

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      Solución

    Por lo tanto tenemos una ecuación

    diferencial del siguiente tipo:

    ()  Calcular k

        

     

     

     

    () ()

     

     Entonces tenemos la ecuación de la forma:

    ()  Para resolver el interrogante a. tenemos

    ()    

    ()(

    ()()  

    () 

     

    Para resolver el interrogante b. tenemos

    ()   () 

     () 

     Habitantes  Aplicación del Método Runge Kutta

    Para la aplicación del método de runge kutta

    se tienen en cuenta los siguientes datos:

     

    Ecuación diferencial:  

    Y (4)=3 h=0,01 find Y (5)

    Siendo Xo= La población

    Yo= Tiempo

    k1 4*(e^0,039210*3) 4,49931139

    k2 Xo+h/2 x 4,05

    Yo+h/2*K1 y 3,22496557

    k3 Xo+h/2 x 4,05

    Yo+h/2*K2 y 3,22979573

    k4 Xo+h x 4,1

    Yo+h*K3 y 3,45967851

    y1 Yo+h/6(K1+2K2+2K3+K4) 3,459673027

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      Ecuación analítica  

     

     

     

     

     

    4. ANALISIS DE RESULTADOSEXPERIMENTAL

    RUNGE KUTTA

    5. CONCLUSIONES DEL CASO

    1. 

    En 10 años crecerá menos la

    población que en 17, 65 Años,

    teniendo sentido.

    2. 

    La población crecerá más que la

    población inicial.

    3. 

    A medida que el tiempo avanza la

    población crece.

    X Y H k1 k2 k3 k4 KUTTA

    4   3 0 ,1 4 ,4 99 31 14 4 ,5 95 91 46 4 , 59 67 85 1 4, 69 56 70 8   3,460

    4 ,1 3 ,4 59 67 30 0 ,1 4 , 69 56 69 7 4 ,7 96 89 09 4 ,7 97 84 29 4 ,9 01 54 59 3 ,9 39

    4 ,2 3 ,9 39 45 11 0 ,1 4 , 90 15 44 7 5 ,0 07 78 82 5 ,0 08 83 14 5 ,1 17 77 89 4 ,4 40

    4 ,3 4 ,4 40 32 71 0 ,1 5 , 11 77 77 4 5 ,2 29 49 37 5 ,2 30 63 92 5 ,3 45 30 77 4 ,9 63

    4 ,4 4 ,9 63 38 30 0 ,1 5 , 34 53 06 0 5 ,4 62 99 85 5 ,4 64 25 92 5 ,5 85 18 19 5 ,5 10

    4 ,5 5 ,5 09 79 97 0 ,1 5 , 58 51 79 9 5 ,7 09 41 30 5 ,7 10 80 38 5 ,8 38 58 00 6 ,0 81

    4 ,6 6 ,0 80 86 96 0 ,1 5 , 83 85 77 6 5 ,9 69 98 64 5 ,9 71 52 46 6 ,1 06 82 96 6 ,6 78

    4 ,7 6 ,6 78 01 01 0 ,1 6 , 10 68 26 7 6 ,2 46 12 85 6 ,2 47 83 45 6 ,3 91 43 27 7 ,3 03

    4 ,8 7 ,3 02 77 98 0 ,1 6 , 39 14 29 3 6 ,5 39 43 72 6 ,5 41 33 50 6 ,6 94 09 49 7 ,9 57

    4 ,9 7 ,9 56 89 76 0 ,1 6 , 69 40 90 8 6 ,8 51 73 08 6 ,8 53 84 87 7 ,0 16 76 17 8 ,6 42

    5 8 ,6 42 26 45 0 ,1 7 ,0 16 75 67 7 ,1 85 08 81 7 ,1 87 45 97 7 ,3 61 66 23 9 ,3 61

    5,1   9 ,3 6 09 8 97 0 ,1 7 ,3 6 16 5 63 7 ,5 4 18 9 63 7 ,5 4 45 6 18 7 ,7 3 13 6 37   10,115

    5 ,2 1 0 ,1 1 54 2 20 1 ,1 7 , 73 1 35 6 4 7 ,9 2 49 1 11 7 ,9 2 79 1 89 8 ,1 2 88 3 72 1 0 ,9 0 8

    46

    8

    0

    10

    3 10 17

    CRECIMIENTO DE LA

    POBLACION

    POBLACION

    0,000

    5,000

    10,000

    15,000

    4 4,14,24,34,44,54,64,74,84,9 5 5,15,2

    CRECIMIENTO DE LA

    POBLACION

    TIEMPO

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    Caso I Aplicada a Ley de Enfriamiento

    Resumen

    El experimento tiene como finalidad evidenciar un proceso de variación de temperatura, para unobjeto de uso cotidiano como lo es el computador de mesa. Nos centraremos en la función deldisipador el cual es un aparato electrónico ubicado dentro del PC.

    Lo que queremos reflejar son los resultados de la función como modelo matemático de “Ley deenfriamiento de Newton” y que esta a su vez sea un comparativo con nuestros datos

    experimentales; para calcular la temperatura máxima a la que permite llegar la placa base antesde que se encienda el sistema de ventilación. Y con base a esto podamos realizar un proceso deverificación sobre la calidad del equipo o una debida programación de un mantenimientopreventivo.

    Palabras Claves: Proceso, Ecuación, Ecuación Diferencial, Mantenimiento preventivo, Disipadores,Ley de enfriamiento.

    Abstract

    The experiment aims to demonstrate a process of temperature variation to an object of daily usesuch as the computer table. We will focus on the role of the sink which is an electronic devicelocated inside the PC.

    What we want are the results reflect the function as a mathematical model of "Newton's Law ofCooling" and that this in turn is a comparison with our experimental data; to calculate themaximum temperature that can reach the motherboard before the ventilation system is turnedon. And based on this we can make a verification process on the quality of the equipment orprogramming proper preventive maintenance.

    Keywords: Process, Equation, Differential Equation, Preventive Maintenance, sinks, cooling Act.

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    1. INTRODUCION

    Este artículo tiene como finalidad ver como un proceso físico como lo es la variación detemperatura se puede reflejar en un método numérico y de ella realizar una base para la

    implementación de un mantenimiento preventivo, este proceso de mejora lo vamos a reflejarhacia el rendimiento de los disipadores de un PC, utilizando una función derivada de la ecuaciónplanteado por el gran físico Newton conocida como la ley de enfriamiento.

    2. MARCO TEORICO

    Uno de los principales riesgos que se tienenal adquirir un PC o un portátil es el riego quese obtiene al dañarse el disipador oventilador, ya que al adquirirse unatemperatura mayor a la que resiste nuestra

    tarjeta madre, placa base o mini board, sellega a un apagado total, y solo nos llega amostrar un mensaje de sobrecalentamientode dicha tarjeta, lo que deseamos expresarcon ejemplos tanto prácticos comomatemáticos la temperatura máxima quepueda llegar a adquirir dicha tarjeta paraque no ocurra este tipo de daño al PC,nuestro modelo matemático lo vamos atrabajar con una ecuación diferencial detemperatura más conocida como Ley de

    enfriamiento, plasmada por el FísicoNewton la cual es:

    En donde encontramosuna variación de la temperatura respecto altiempo con una “K” como constante que

    difiere respecto al material que estemosusando, en nuestro proyecto esta K irapositiva ya que es un sistema decalentamiento y no de enfriamiento,

    multiplicada por la diferencia entre nuestratemperatura inicial con nuestra temperaturadel medio, luego realizamos una separaciónde variables y se procede a integrar instantet=0, la temperatura del cuerpo es T0.

    Después de realizar la integración,despejamos la temperatura quedándonos

    como resultado , en la que tendremos unatemperatura m, la cual será la temperaturadel medio en el que nos encontremos,sumando entre la diferencia entre untiempo inicial con un tiempo final el cualserá reflejado en el momento que eldisipador se encienda para refrigerarnuestra tarjeta y esta se multiplica por elexponencial, el cual está elevado a laconstante del material que estamosmidiendo el cual sería la placa

    base por el tiempo en cual se realiza elcambio de la temperatura, todas estasoperaciones nos dan como resultado:

    la temperaturamáxima a la cual se puede someter dichatarjeta antes de que llegue a tener un

    sobrecalentamiento , en nuestra parteexperimental se va a realizar una tabulaciónpor medio de una termo cupla y unmultímetro en donde tendremos comovariable dependiente el tiempo quetranscurre antes de que llegue a activarse elsistema de enfriamiento al igual tendremos

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    nuestra variable dependiente que sería latemperatura a la cual sube el sistema altranscurrir el tiempo .

    3. METODOLOGIA

    La función que tomamos como base para laidentificación del proceso fue la dederivación de la “Ley de enfriamiento ocalentamiento de Newton”.

    4. HIPOTESIS O RESULTADOSESPERADOS:

      Que los datos experimentales vs losdatos reales reflejan un nivel desimilitud en concordancia con los dosprocedimientos.

      Determinación de factores que afectande forma directa e indirecta la toma de

    los datos, e influyeron en los resultadosdel procedimiento.

      Llegar a una temperatura exacta a lacual el procesador no sea afectado.

      Llegar a una temperatura final de unprocesador

    5. MATERIALES

    1 - Multimetro UT33C.

    1 - Termocupla.

    2 - Camara de Video.

    - Cronometro del celular.

    6. ANALISIS DE RESULTADOS

    Para realizar la comparación del modelo demétodos numéricos utilizamos la ecuacióndiferencial de "ley de enfriamiento deNewton" vrs datos experimentales. Laecuación de enfriamiento se adaptó con lascondiciones del proceso experimental quefueron:

      Temperatura ambiental: 16 °C

     

    Temperatura inicial al tiempo cero: 18°C

    La ecuación utilizada en el proyecto fue:

     = K (T – Tm)

    Siendo T (Temperatura), Tm (TemperaturaAmbiental) y K una constante de ritmo.

    Reemplazamos los valores de lascondiciones iniciales de las ecuaciones,

    realizamos separación de variables eintegramos. Despejamos T (Temperatura) ypara hallar nuestra C (constante) igualamosa las condiciones iniciales y creamos laFUNCIÓN.

    ∫  = ∫   = Ln (T-16)= Kt + C

     

    T = C+ 16  18 = C+ 16  C=2

    Para hallar valor de C (constante)reemplazamos en uno de los intervalosmedios del ejercicio y se despeja.

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    47 = 2()+ 16

    K=

     = 0.1958

    Posteriormente se tabula la FUNCION.

    T = C + 16Para el método de Taylor se utiliza la funciónanterior y con las condiciones iniciales delexperimento. 

    METODO DE TAYLOR

    Función: T = C + 16

    Derivada:

     

    H = 2

    Yn + Y´(Xn)*H

    (2*+ 16) + 2 (

      )

    18,3916 

    7. FORMULACION DE TABLACOMPARATIVA

    t(Minutos)

    °C(Experimental)

    °C(Teorico)

    °C(Taylor)

    0 18 18 18,4

    2 23 19 20,7

    4 28 20 24,1

    6 31 22 30,7

    8 38 26 43,5

    10 43 30 69,5

    15

    25

    35

    45

    55

    65

    75

    0 2 4 6 8 10

    °C (Experimental) °C (Teorico)

    °C (Taylor) Lineal (°C (Taylor))

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    8. ERRORES ABSOLUTOS

    Experimental Teoricos

    0,4 0,4

    2,3 1,7

    3,9 4,1

    0,3 8,7

    5,5 17,5

    26,5 39,5

    9. CONCLUSIONES DEL CASO

      La ecuación diferencial junto con elmodelo de métodos numéricos nos

    mostró valores crecientes en un rangoalto debido a que no se tuvo en cuentala participación del disipador en elsistema que a diferencia del modeloexperimental llega a una temperaturaconstante después de un punto.

      La temperatura crece de maneraacelerada y exponencialmente.

      La serie de Taylor con respecto al valorteórico tiene un error relativo másgrande que el experimental.

      Los errores de la serie de Taylor seencuentran por encima del valor real.

    10. REFERENCIASBIBLIOGRAFICAS

      Ecuaciones diferenciales yproblemas con valores en la frontera

     –Nagle,saff,Snider- Cuarta edición.

      http://doctoradosociales.com.ar/wp-content/uploads/Lineamientos-generales-para-escribir-un-paper-DOC-27.pdf  

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