Sistema masa resorte amortiguador

Scientia et Technica Año XIII, No x, Mes de 200x. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701

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SIMULACIÓN DE UN SISTEMA MASA RESORTE AMORTIGUADOR CON CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
Simulation of a Spring-Mass-Shock Absorber System with Electronic Circuits
RESUMEN En este documento se muestran los resultados obtenidos al realizar la simulación de un sistema dinámico conformado por unamasa, un resorte, y un amortiguador; mediante un circuito electrónico que contiene amplificadores operacionales. También se presenta la solución matemática del sistema con sus respectivas gráficas en Matlab©, la simulación del circuito diseñado en la herramienta Proteus©, y las imágenes del montaje realizado obtenidas en el osciloscopio. PALABRAS CLAVES: Amplificador operacional, ecuacionesdiferenciales, movimiento oscilatorio, sistemas dinámicos lineales. ABSTRACT This paper shows the results obtained when performing the simulation of a dynamic system composed of a mass, a spring and a shock absorber; by an electronic circuit containing operational amplifiers. It also presents the mathematical solution of the system with their respective graphs in Matlab©, the circuit simulation designed inthe Proteus© tool, and images made from the assembly in the oscilloscope. KEYWORDS: Operational amplifier, differential equations, oscillatory movement, linear dynamic systems. WILLIAM ARDILA URUEÑA Licenciado en Física MSc. Física Profesor Titular Universidad Tecnológica de Pereira williamar@utp.edu.co JOSÉ ANDRÉS CHAVES OSORIO Ingeniero Electricista Especialista en Pedagogía Profesor AsistenteUniversidad Tecnológica de Pereira jchaves@utp.edu.co EDWIN ANDRÉS QUINTERO Ingeniero Electrónico Estudiante Maestría en Instrumentación Física Profesor Auxiliar Universidad Tecnológica de Pereira equintero@utp.edu.co

1. INTRODUCCIÓN Uno de los temas de la física básica cruciales en la formación de ingenieros consiste en el análisis de sistemas dinámicos, los cuales en estas asignaturas seencuentran representados generalmente por el estudio del movimiento de una masa unida a un soporte a través de un resorte y de un amortiguador. La importancia de la comprensión de este tema por parte de los estudiantes es evidente, pues los sistemas dinámicos constituyen una parte activa de los contenidos en la gran mayoría de ingenierías. Por ejemplo, en ingeniería electrónica, los sistemas dinámicoslineales son la base para el estudio de las teorías de control y de señales, pues permiten modelar mediante ecuaciones diferenciales muchos de los procesos que se requieren controlar, o los sistemas por medio de los cuales se propaga una señal, permitiendo así predecir un posible comportamiento futuro de todo el fenómeno. Sin embargo, en los cursos de física se evidencia una difícil comprensión deeste tema por parte de los estudiantes, debido en mayor parte al desconocimiento del experimento real que origina este fenómeno físico, impidiendo que el estudiante realice una abstracción del problema en estudio, sin lo cual la construcción de un mapa mental se torna bastante complicada.

Otra posible causa de esta dificultad encuentra sus orígenes en la debilidad que presentan los estudiantesen cuanto a las bases matemáticas necesarias para describir este tipo de fenómenos, produciendo falta de atención del educando, pues su pobre formación inicial no le permite acercarse al fenómeno de una forma curiosa e interesada. Una alternativa de solución a esta problemática presentada en la enseñanza de la física básica, consiste en crear experimentos que muestren al estudiante la importanciade la comprensión de este fenómeno, dada su semejanza con otros tipos de sistemas. Este documento presenta la simulación de un sistema masa-resorte-amortiguador mediante un circuito electrónico compuesto de amplificadores operacionales, el cual permite observar en el osciloscopio el movimiento de la masa. La simulación permite obtener esta respuesta sin realizar ningún cálculo matemático...