Introducción a las analogías
Utilizar el concepto de sistemas análogos eléctricos para
analizar ciertas clases de sistemas físicos complejos resulta muy
practico. Además es mucho más sencillo manipular un sistema
eléctrico o electrónico, que construir un sistema análogo
mecánico debido en gran parte a su costo.
El principio de analogía es aplicable a cualquier tipo de sistema
sea acústico, mecánico o eléctrico, siempre que sus
ecuaciones diferenciales o funciones de transferencia sean idénticas
(en la practica lo más parecidas posible). Además permite
la elaboración de diagramas esquemáticos (circuito eléctrico),
que ofrecen las siguientes ventajas:
-
Visualizar el comportamiento de un sistema complejo sin necesidad de resolver
sus ecuaciones diferenciales.
-
Obtener las ecuaciones diferenciales por simple inspección.
Los diagramas esquemáticos son usualmente utilizados en sistemas
concentrados, es decir, el tiempo es la única variable independiente.
Así el uso de sistemas análogos resulta conveniente para
la descripción de los más variados fenómenos, lo que
lo vuelve una herramienta indispensable para el desarrollo de nuestra tesis.
La impedancia mecánica
La impedancia mecánica Zm se define como la relación compleja
entre la fuerza eficaz que actúa sobre un área de un dispositivo
mecánico (o un medio acústico) y la velocidad eficaz compleja
lineal resultante a través de tal área. Sus unidades son
los Ohmios mecánicos (N*seg)/m.
La inversa de la impedancia compleja mecánica recibe el nombre
de movilidad mecánica, y se representa por zm . Su unidad
es el Mhom mecánico. En los circuitos mecánicos vamos a manejar
tres componentes básicos:
-
Resistencia mecánica Rm
-
Masa mecánica Mm
-
Compliancia mecánica Cm
La resistencia mecánica está asociada
a la parte real de la impedancia, y es donde se disipa toda la potencia
mecánica entregada al dispositivo. Un dispositivo mecánico
se comportará pues como una resistencia mecánica cuando accionado
por una fuerza, adquiere una velocidad proporcional a esta:
Sus unidades son el .
Como
, si sustituimos podemos obtener también que la unidad de resistencia
mecánica es también Kilogramo/Segundo.
Esta expresión se corresponde con la analogía de tipo
impedancia que hemos visto, puesto que:
Fuerza = Resistencia Mecánica
* Velocidad
por analogía se convierte en:
Tensión = Resistencia Eléctrica
* Corriente
El símbolo usado para la resistencia mecánica suele ser
el de la figura, aunque también se usa un símbolo similar
a la resistencia eléctrica:
A la inversa de la resistencia mecánica se le llama responsabilidad
mecánica, cumpliéndose que:
de forma que podemos obtener:
Lo que se corresponderá con la analogía de movilidad puesto
que:
Velocidad= Responsabilidad Mecánica * Fuerza
por analogía se convierte en:
Tensión = Resistencia Eléctrica
* Corriente
La masa mecánica está asociada con la parte imaginaria
positiva de la impedancia compleja. Un dispositivo mecánico se comportará
como una masa mecánica cuando accionado por una fuerza resulte acelerada
en proporción directa con la fuerza, es decir:
Su unidad es el Kilogramo, y su simbolo es:
En la analogía de impedancia hemos visto que sustituimos Fuerza
por Tensión, Masa por Inductancia, y Velocidad por Corriente, por
lo que sustituyendo tenemos:
Si en la primera expresión despejamos u(t), nos queda:
Lo que en la analogía de tipo movilidad se corresponde a (se
sustituye Velocidad por Tensión, Masa por Capacidad, y Fuerza por
corriente):
Efectivamente esto se corresponde con el comportamiento de un condensador,
por lo que el del análogo de movilidad de la masa será el
condensador.
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