Modelado de Sistemas Físicos Profesora Anna Patete, Dr. M.Sc. Ing. Departamento de Sistemas de Control. Control Escuela de Ingeniería de Sistemas. Universidad de Los Andes, Mérida, Venezuela. Correo electrónico: C l ó i [email protected] @ l Página web: http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/apatete/ Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes 1 Modelado de Sistemas Físicos Unidad II: Modelado de sistemas mecánicos y electromecánicos. Tema 1. T 1 (Parte (P mecánica) á i ) Componentes C bá i básicos d un sistema de i mecánico. á i Leyes de Newton. Modelos matemáticos de sistemas mecánicos. Tema 2. 2 Analogías. Analogías Ecuaciones de movimiento de Lagrange. Lagrange Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes 2 Conceptos Básicos Movimiento de Rodamiento y Deslizamiento Fricción por rodamiento: Es la fuerza que se opone al movimiento de un cuerpo que rueda sobre otro. Resulta de la deformación de los dos cuerpos en el lugar de contacto. El par de fricción por rodamiento es generalmente pequeño y casi siempre se desprecia en el análisis de movimiento. Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes 3 Conceptos Básicos Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes 4 Conceptos Básicos Considere el siguiente g sistema: El cilindro se desliza si no existe fricción. Movimiento traslacional Si hay deslizamiento, la fuerza de fricción dinámica es: F =μN Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes 5 Conceptos Básicos Condición para que el cilindro ruede sin p q deslizamiento: F < μ N Sin deslizamiento, existe durante todo el movimiento una fuerza de fricción F , de magnitud desconocida, desconocida que asegura que: x = Rθ Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes 6 Modelado de Sistemas Ejemplo 1: Consideremos un cilindro que rueda sin deslizamiento sobre un plano horizontal m g , P y N no producen torques en la ecuación de movimiento Las fuerzas rotacional porque sus líneas de acción pasan por el centro de gravedad respecto del cual se da dicho movimiento de rotación. La fuerza F es de magnitud desconocida. Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes 7 Modelado de Sistemas Ecuaciones de movimiento: Traslacional: m x = ∑F m x = P−F Rotacional: J θ = ∑τ = ∑ F .d J θ = F R Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes 8 Modelado de Sistemas Momentos de inercia de masa de un cilindro respecto a sus ejes centroidales y x En el eje y : R 2 + L2 Jx = J y = m 12 z En el eje : 1 J z = m R2 2 Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes 9 Modelado de Sistemas F Para encontrar , sabemos que: x = Rθ θ= x R Y considerando la inercia Y considerando la inercia 1 J z = m R2 2 Tenemos: J θ = R F J θ = R F z 1 m R 2θ = R F 2 Prof. Anna Patete 1 x 2 mR = RF 2 R 1 m x =F 2 2F x= m F Para encontrar , igualamos: x= P−F m y x= 2F m Así, P F= 3 Universidad de Los Andes 10 Modelado de Sistemas Ecuaciones de movimiento: Traslacional: x= 2P 3m Rotacional: 2P θ= 3 R 3m P 3P − P 2 P mx = P−F = P− = = 3 3 3 Prof. Anna Patete θ = Universidad de Los Andes F R RP RP 2P = = = J 3J ⎛1 ⎞ 3m R 3 ⎜ m R2 ⎟ ⎝2 ⎠ 11 Modelado de Sistemas Ejemplo 2: Cilindro en movimiento sobre un plano inclinado. Según el ángulo α el cilindro puede rodar o deslizar. Determinar movimiento i i sea de d rodamiento. d i Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes α para que el 12 Modelado de Sistemas Ecuaciones de movimiento: Traslacional: m x = m g sen[α ] − F Prof. Anna Patete Rotacional: J θ = F R Universidad de Los Andes 13 Modelado de Sistemas Sabemos que la condición para que el cilindro ruede sin deslizamiento es: F < μ N Determinamos la fuerza F anterior. Considerando que: x = Rθ , desconocida, de la misma forma que en el ejemplo 1 J z = m R2 2 x= 2F m m g sen[α ] − F F , g Para encontrar , igualamos: y y x= m Así, x= 2F m m g sen[α ] − F 2 F = m m m g sen[α ] − F = 2 F 3F = m g sen[α ] F= Prof. Anna Patete m g sen[α ] 3 Universidad de Los Andes 14 Modelado de Sistemas Además, sabemos que: N = m g cos[α ] Para la condición de rodamiento, entonces: F <μN F < μ m g cos[α ] Por lo tanto: m g sen[α ] < μ m g cos[α ] 3 sen[α ] < 3μ cos[[α ] F= tan[α ] < 3μ Prof. Anna Patete Si esta condición se cumple, entonces el movimiento es de rodamiento. Universidad de Los Andes 15 Modelado de Sistemas Ecuaciones de movimiento: Traslacional: m x= 2m g sen[α ] 3 Rotacional: θ = m x = m g sen[α ] − F = m g sen[α ] − 2 g sen[α ] 3R m g sen[α ] ⎡ 1⎤ = m g sen[α ] ⎢1 − ⎥ 3 ⎣ 3⎦ F R R m g sen[α ] 2 g sen[α ] θ= = = 1 J 3R ⎛ ⎞ 3 ⎜ m R2 ⎟ ⎝2 ⎠ Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes 16 Modelado de Sistemas Físicos Referencias del material usado para estas diapositivas: •Material de las diapositivas de la Prof. Mariela Cerrada. Departamento de Control Facultad de Ingeniería, Control, Ingeniería Universidad de Los Andes Andes, Mérida, Mérida Venezuela, 2012. •Ogata, g , K. Dinámica de Sistemas,, Prentice Hall,, 1987. •Lewis, J. Modelling Engineering Systems, High Text Publications, 1994. Prof. Anna Patete Universidad de Los Andes 17