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5 Tabla de contenido Página Aplicaciones de las ecuaciones diferenciales 3 Problema de enfriamiento 3 Caída de cuerpos 6 Mezclas o diluciones 10 Trayectorias ortogonales 13 Resumen 16 Bibliografía recomendada 16 Párrafo nexo 16 Autoevaluación formativa 17

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Tabla de contenido Página

Aplicaciones de las ecuaciones diferenciales 3

Problema de enfriamiento 3

Caída de cuerpos 6

Mezclas o diluciones 10

Trayectorias ortogonales 13

Resumen 16

Bibliografía recomendada 16

Párrafo nexo 16

Autoevaluación formativa 17

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Copyright©1999 FUNDACION UNIVERSITARIA SAN MARTIN

Facultad de Ingeniería de Sistemas.

Sistema de Educación Abierta y a Distancia.

Santa Fe de Bogotá, D.C.

Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización por

escrito del Presidente de la Fundación.

La redacción de este fascículo estuvo a cargo de

JAIME PRECIADO LOPEZ

Sede Santa Fe de Bogotá, D.C.

Diseño instruccional y orientación a cargo de

MARIANA BAQUERO DE PARRA

Diseño gráfico y diagramación a cargo de

SANTIAGO BECERRA SAENZ

ORLANDO DIAZ CARDENAS

Impreso en: GRAFICAS SAN MARTIN

Calle 61A No. 14-18 - Tels.: 2350298 - 2359825

Santa Fe de Bogotá, D.C.

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3

Aplicaciones de las ecuaciones diferenciales En este fascículo solucionaremos algunos ejemplos, en problemas,

donde utilizamos las ecuaciones diferenciales de primer orden; en ellos

veremos el uso de éstas y llegaremos a su solución con los métodos

que hemos trabajado.

Las aplicaciones que contemplamos aquí corresponden a problemas de

enfriamiento, caída de cuerpos, mezclas o diluciones y trayectorias orto-

gonales. Es de anotar que hemos trabajado ya algunas aplicaciones ta-

les como problemas de crecimiento y decrecimiento, en el fascículo 8, y

los problemas de circuitos en el fascículo 9. Por esta razón se incluyen

algunos ejercicios en actividad de estos casos.

Al terminar el estudio del presente fascículo, el estudiante:

Plantea problemas correctamente empleando ecuaciones diferencia-

les.

Resuelve correctamente ecuaciones diferenciales lineales.

Reconoce la importancia de las ecuaciones diferenciales en la solu-

ción de problemas científicos.

Problema de enfriamiento

La ley de newton sobre enfriamiento establece que la razón a la que un

objeto se enfría es proporcional a la diferencial de la temperatura entre

el objeto y el medio ambiente. Si llamamos T a la temperatura del cuer-

po y mT la temperatura del medio ambiente, entonces el cambio de la

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4

Isaac Newton (1642 –

1.727). Publicó en 1686 su

obra “Principios Matemáti-

cos de la Filosofía Natu-

ral”, donde enuncia las

tres Leyes del Movimiento.

temperatura con respecto al paso del tiempo es

dt

dT y por tanto pode-

mos formular la Ley de Enfriamiento de Newton como:

mTTk

dt

dT (1)

Donde k es una constante de proporcionalidad, la ecuación (1) tam-

bién la podemos escribir como:

mkTkTdt

dT (2)

debemos reconocer (2) como una ecuación lineal y de esa forma pode-

mos resolverla. Veamos un ejemplo.

Ejemplo

Un cuerpo sacado de un horno a Fo300 es colocado en cuarto que

está a Fo75 ; si la temperatura decae hasta F

o200 en media hora,

¿cuál será la temperatura al cabo de tres horas?.

Podemos aplicar la Ley de Enfriamiento de Newton, si llamamos )(tT a

la temperatura medida en grados F , a las horas t , entonces debemos

resolver la ecuación:

mkTkTdt

dT

De donde

)(75kkTdt

dT

Sabemos que

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5

FT

FT

o

o

2002

1

3000

)(

y queremos hallar )(3T . Resolvamos nuestra ecuación:

kkTdt

dT75

para esta ecuación lineal el factor de integración es:

ktkdt

ee

Al multiplicar nuestra ecuación por el factor de integración y escribirla

como derivadas obtenemos:

ktktkeTe

dt

d75

Integrando respecto a t

)( ceTektkt 75

De donde

ktceT

75

Como T es función del tiempo podemos escribir

ktcetT

75)(

Si reemplazamos las condiciones dadas Fo3000T )( obtenemos

ktce

75300

de donde, así, entonces

ktetT 22575)(

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6

La cantidad de movimiento

o momento lineal frecuente-

mente representado por la

letra p , de un cuerpo de

masa m y velocidad v

está dado por mvp .

además como FTo200

2

1

entonces

2

1

22575200k

e

de donde, así nuestra ecuación es:

tetT

175122575 ,)(

podemos ahora encontrar la temperatura a las tres horas, haciendo:

FT

eT

o6813

225753 31751

,)(

)().(,

Caída de cuerpos

Si consideramos un cuerpo de masa m cayendo verticalmente hacia

abajo sometido a la acción única de la gravedad g y a una resistencia

del aire proporcional a la velocidad del cuerpo, entonces, si elegimos la

dirección hacia abajo como la dirección positiva y suponemos que la

masa del cuerpo y el valor de la gravedad permanecen constantes po-

demos enunciar la segunda ley de Newton para el movimiento así:

La fuerza neta (total), que actúa sobre un cuerpo es igual a la tasa de

cambio en el tiempo de la cantidad de movimiento del cuerpo, para una

masa constante; de este modo si llamamos F a la fuerza neta y v a la

velocidad del cuerpo de masa m en el tiempo t podemos escribir que:

dt

dvmF

Si analizamos las fuerzas que actúan sobre un cuerpo podemos consi-

derar dos, la fuerza debida a la gravedad, dada por mg y la fuerza de

la resistencia del aire, dada por kv , con k una constante positiva; el

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signo menos indica que esta fuerza se opone a la velocidad, es decir,

en dirección negativa como muestra la figura 1.

Figura 11.1 Fuerzas actuando

sobre un cuerpo que cae.

Por tanto, la fuerza neta que actúa sobre el cuerpo es

kvmgF

Si sustituimos en la ecuación para la Segunda ley de Newton tenemos:

dt

dvmkvmg

De donde gvm

k

dt

dv

Esta última ecuación también es una ecuación diferencial lineal; además

si la resistencia del aire es despejable entonces 0k y la ecuación se

reduce a: gdt

dv

si 0k , la velocidad limite lv es definida por

k

mgvl

veamos un ejemplo de aplicación.

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8

Un Newton (1N) es la fuer-

za necesaria para que un

cuerpo de un kilogramo (1

kg) adquiera una acelera-

ción de un metro por se-

gundo cuadrado 21s

m .

22111

s

kgm

s

mkgN .

Ejemplo

Un cuerpo que pesa 64 Newtons se deja caer desde la altura de 100

metros con velocidad inicial

sm10 . Si suponemos que la resistencia

del aire es proporcional a la velocidad del cuerpo y la velocidad límite es

sm128 , encontramos expresiones para la velocidad del cuerpo y la

posición en cualquier instante del tiempo t .

De los datos suministrados en el problema tenemos:

Peso del cuerpo mgN 64 de donde si 289s

mg , entonces

kg

sm

Nm 56

89

64

2

,,

Además

smv 128 , entonces como

k

mgvl así

2

1

128

64

2

2

s

ms

mkg

v

mgk

l

con estos valores nuestra ecuación diferencial es

8913

1,

vdt

dv

gvm

k

dt

dv

si resolvemos esta ecuación lineal obtenemos

t

cev 13

1

128

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9

es decir,

t

cetv 13

1

128

)(

de las condiciones del problema tenemos que en 0t la velocidad es

sm10 por tanto

013

1

128010.

)(

cev

así 118c

por tanto la expresión pedida para la velocidad es

13118128

t

etv

)(

Si recordamos que

dt

dxv donde x es la posición del objeto, enton-

ces vdtx , por tanto

dtetxt13118128)(

detxt131534128

)(

como en 0t el cuerpo se encuentra en 0x metros, (porque esta-

mos considerando que comienza su movimiento hacia abajo) tenemos

que:

de 130

153401280

.

de donde d1534 ; así la expresión para el cálculo de la posición

en cualquier instante del tiempo es:

15341534128 13 t

etx )(

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Mezclas o diluciones

Consideremos un tanque o recipiente que contiene inicialmente 0v ga-

lones de una solución salina (por ejemplo, salmuera, agua con sal), su-

pongamos que en el tanque hay a libras de sal disueltas. Otra solución

salina que contiene b libras de sal por galón entra al tanque a razón de

e galones por minuto; simultáneamente la solución bien mezclada, sale

del tanque a una velocidad de f galones por minuto. Queremos en-

contrar la cantidad de sal que hay en el tanque en cualquier instante t .

Llamemos Q a la cantidad de sal (en libras) en cualquier instante del

tiempo (es decir )(tQ ), así

dt

dQ es el cambio de la cantidad de sal que

hay en el tanque con respecto al cambio del tiempo; esta cantidad es

igual a la razón de entrada de sal menos la razón a la cual sale la sal del

tanque, es decir,

dt

dQ= (razón entrada) – (razón de salida)

la razón de entrada es:

Razón de entrada =

minmin.

libbe

galóne

galón

libb

Para calcular la razón de salida primero calculamos el volumen de solu-

ción salina que hay en el tanque en cualquier instante t ; este es el volu-

men inicial 0v más el volumen de la solución salina agregada ft ; en-

tonces el volumen de la solución salina en cualquier instante corres-

ponde a ftetv 0 galones.

Por tanto, la concentración de sal en el tanque en cualquier instante es:

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11

galoneslibras

ftetv

Q

o

Como la solución sale del tanque a razón de f galones por minuto

entonces se deduce que la sal sale del tanque a razón de:

minmin.

libQ

ftetv

fgalónf

galón

lib

ftetv

Q

00

entonces:

Qtfev

fbe

dt

dQ

)(

0

equivalente a

beQtfev

f

dt

dQ

)(0

(1)

Resolvamos un ejemplo para esta aplicación.

Ejemplo

En un tanque hay una libra de sal disuelta en 100 galones de agua. Una

solución salina que contiene 1 libra de sal por galón entra al tanque a

razón de 3 galones por minuto. La solución se mantiene totalmente agi-

tada y sale del tanque a la misma razón. Encontremos la cantidad de

sal que hay en el tanque en cualquier instante t .

Para este ejercicio, y de acuerdo con lo planteado teóricamente, pode-

mos decir que:

0v = 100 galones

a = 1 libra

b = 1 libra/gal

e = 3 galones/min

f = 3 galones/min

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así:

beQtfev

f

dt

dQ

o

)(

que para nuestro ejercicio corresponde a:

3133100

3.

)(

Q

tdt

dQ

de donde

3030 Qdt

dQ,

al resolver esta ecuación lineal obtenemos:

tcetQ

030100 ,)(

como en el instante 0t la cantidad de sal es 1 libra entonces

00301001 ., ce de donde 99c

así la cantidad de sal que hay en el tanque en cualquier instante de

tiempo es

tetQ

03099100 ,)(

Si deseamos por ejemplo saber la cantidad de sal que hay en el tanque

a las 2 horas de iniciado nuestro procedimiento podemos hacer 3t y

obtenemos

libras

eQ

529

991003 3030

,

)(.,

Si deseamos saber, por ejemplo en que instante habrá en el tanque 5

libras de sal, basta con hacer 5)(tQ y despejar t .

te

030991005 ,

de donde

te

0309995 ,

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Recuerda que si

dx

dy co-

rresponde a la pendiente

de la recta tangente a la

curva en y en algún pun-

to x

.

es decir t03099

95,ln

ó

thoras

t

371

030040

,

,,

Trayectorias ortogonales

Se dice que dos curvas 1C y 2C que se intersectan en un punto son

ortogonales en dicho punto si y sólo si las rectas tangentes a las curvas

en el punto mencionado son perpendiculares entre si.

Recuerda que: dos rectas son perpendiculares si el producto

de sus pendientes es –1. 121 mm . , de donde

1

2

1

mm

.

Definición

Cuando una familia de curvas 01 ),,( cyxG cortan ortogonalmente

a otra familia 02 ),,( cyxH , se dice que las familias son cada una

trayectorias ortogonales de la otra.

Las trayectorias ortogonales son encontradas con frecuencia en estu-

dios meteorológicos y en campos eléctricos alrededor de cargas opues-

tas.

Si queremos hallar las trayectorias ortogonales de una familia de curvas

dadas se encuentra primero

dx

dy para la familia dada; esto nos da

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),( yxfdx

dy y resolviendo la ecuación

),( yxfdx

dy 1 encontra-

mos las trayectorias ortogonales de la familia dada.

Ejemplo

Halla las trayectorias ortogonales de la familia de curvas 2

cxy . La

familia que está dada por 2

cxycyxF ),,( consiste en parábolas

asimétricas al eje y , con su vértice en el origen. Derivando implícita-

mente la ecuación dada con respecto a x obtenemos:

cxdx

dy2 .

Para eliminar c observamos de la ecuación dada que

2x

yc

por lo tanto

x

y

dx

dy 2

Aquí

x

yyxF

2),( se convierte en

y

x

dx

dy

2

o 02 ydyxdx

la solución a este ecuación separable es kyx 22

2

1.

La figura 2 muestra las 2 familias de curvas ortogonales del ejemplo an-

terior.

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Figura 11.2 Familias ortogonales

11.1

Resuelve los siguientes problemas

1. Un cuerpo a una temperatura desconocida se pone en un refrige-

rador a una temperatura constante de Fo0 . Si después de 20

minutos la temperatura del cuerpo es Fo40 y después de 40

minutos la temperatura del cuerpo es de Fo20 . Halla la tempe-

ratura inicial de éste.

2. Un cuerpo a una temperatura de Fo50 se pone en un horno cu-

ya temperatura se mantiene a Fo150 . Si después de 10 minu-

tos la temperatura del cuerpo es de Fo75 , halla el tiempo re-

querido por el cuerpo para llegar a una temperatura de Fo100 .

3. Se sabe que la población de un estado crece a una rata proporcio-

nal al número de habitantes que viven actualmente en el estado. Si

después de 10 años la población se ha triplicado y después de 20

años la población es de 150.000 habitantes, halla el número de

habitantes que había inicialmente en el estado.

4. Un cuerpo de masa m se lanza verticalmente en el aire con una

velocidad inicial ov . El cuerpo no encuentra resistencia al aire.

Halla:

a. La ecuación del movimiento.

b. Una expresión para la velocidad del cuerpo en un momento t .

c. El momento mt en el cual llega el cuerpo a su altura máxima.

d. Una expresión para la posición del cuerpo en un momento t .

e. La altura máxima alcanzada por el cuerpo.

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5. Un tanque contiene inicialmente 10 galones de agua pura. Para

0t , una solución salina que contiene media libra de sal por

galón se agrega en el tanque a una rata de 2 gal/min., mientras

que una solución bien mezclada sale del tanque a la misma rata.

Halla:

a. La cantidad.

b. La concentración de sal en el tanque en cualquier momento t .

6. Halla las trayectorias ortogonales de la familia de curvas

xcey

7. Halla las trayectorias ortogonales de la familia de curvas

cxyx 22

En este fascículo hemos trabajado algunas de las aplicaciones de las

ecuaciones lineales a problemas reales; hemos reconocido la importan-

cia de las ecuaciones diferenciales y su método de solución en el plan-

teamiento y búsqueda de respuesta en áreas diversas de la ciencia.

Rainville, Earl D. y Otros. Ecuaciones diferenciales. México: Ed. Prentice

Hall, octava edición, 1997, cap. 1 y 2

Zill, Dennis G. Ecuaciones diferenciales con aplicaciones de modelado.

México: Ed. Inter. – Thomson Editores, sexta edición, 2000, cap. 3.

En el fascículo siguiente iniciaremos el estudio de las ecuaciones dife-

renciales de orden superior, Solucionaremos ecuaciones diferenciales li-

neales de segundo orden con coeficientes constantes. Para llevar a ca-

bo este procedimiento haremos uso de la llamada ecuación característi-

ca o auxiliar de la ecuación diferencial dada.

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Autoevaluación formativaAutoevaluación formativaAutoevaluación formativa

Ecuaciones diferenciales - Fascículo No. 11

Nombre_____________________________________________________________________

Apellidos ________________________________________ Fecha ____________________

Ciudad __________________________________________ Semestre _________________

Resuelve los siguientes problemas:

1. Un cuerpo con una masa de 10 slugs se suelta de una altura de 10.000 pies

sin velocidad inicial. El cuerpo encuentra una resistencia del aire proporcional

a su velocidad. Si la velocidad límite debe ser de 320 pies / segundo, encuen-

tra

a. Una expresión para la velocidad del cuerpo en un momento t .

b. Una expresión para la posición del cuerpo en un momento t .

c. El tiempo que necesita el cuerpo para alcanzar la velocidad de 160

pies / segundo.

2. Un tanque contiene inicialmente 80 galones de solución salina con media libra

de sal por galón. Para 0t , otra solución salina que contiene 1 libra de sal

por galón se agrega en el tanque a una rata de 4 gal./min., mientras que una

solución bien mezclada sale del tanque a una rata de 8 gal./min. Halla la canti-

dad de sal en el tanque cuando éste contiene exactamente 40 galones de so-

lución.

3. Halla las trayectorias ortogonales de la familia de curvas

222cyx