UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑOSEDE CÚCUTA

FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICAGUÍAS DE ESTUDIO PARA LA ASIGNATURA DISEÑO DE SISTEMAS ELECTROMECANICOS II

NUMERO DE GUIA: 2

NOMBRE DEL PROGRAMA: Ingeniería Electromecánica

ASIGNATURA: Diseño de Sistemas Electromecánicos II

PERIODO ACADEMICO O SEMESTRE: VIII. Semestre

CREDITOS DE LA ASIGNATURA: 3

HORAS DE TUTORIA SEMANAL: 2

HORAS DE TRABAJO INDIVIDUAL: 7 (Semanal) DEL ESTUDIANTE:

PRESENTACION: Para esta guía No. 2 los temas a estudiar son: los remaches, uniones soldadas, conexiones y resortes; los libros de apoyo para esta guía son:

Fundamentals of Machine component design. Juvinall Fundamentos de diseño mecánico. Serie 2. Shigley. Diseño en ingeniería mecánica. Shigley.

En la actualidad, en las operaciones de manufactura se utilizan con gran frecuencia los procesos de unión por soldadura (directa o con metal de aporte). Generálmente siempre que se deben montar o ensamblar las partes de un dispositivo hay que considerar uno de tales procesos en el trabajo de diseño preliminar. También es de gran importancia el diseño e ingeniería que está ligado a la manufactura de elementos mecánicos como los remaches, y resortes; que son diseñados considerando siempre el tipo de carga y su aplicación.

OBJETIVOS DE LA UNIDAD:

1.) Diferenciar los tipos básicos de remaches y conocer sus aplicaciones.

2). Identificar los tipos de uniones, tipos de soldadura y su importancia en la industria.

3.) Diseñar resortes cumpliendo con todos los criterios de diseño requeridos.

4.) Resolver y plantear problemas de diseño mecánico.

5.) Definir los proyectos de investigación para desarrollar en el transcurso del semestre.

6.) Desarrollar actividades individuales y de trabajo en equipo que faciliten la formación y evaluación de la vivencia de valores de responsabilidad, cumplimiento, respeto, y

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honestidad durante el planteamiento y desarrollo de los diferentes aspectos técnicos, económicos, y de factor humano presentes en un proceso de diseño de ingeniería.

CONTENIDOS:

Rivets, Welding Processes, Welded joints subjected to static axial and direct shear loading.

Sample problems. Welded Joints subjected to static torsional and bending loading. Sample problems. Fatigue considerations in welded joints Adhesives Springs: Diseño de resortes, resortes de tensión, resortes de compresión, tipos de

extremos para resortes de compresión, ecuaciones, tabla de materiales para resortes, entre otros.

Springs: Cargas de fatiga, Sample problems and Home Work No. 2.

ACTIVIDADES EXTRATUTORIALES: Antes del encuentro presencial, los estudiantes deben efectuar una serie de actividades de lectura y apropiarse del conocimiento. Los estudiantes deben consultar el tema asignado para la próxima clase y solucionar los problemas 8.1, 8.4, 8.9 y 8.19 del libro: Fundamentals of Machine Component Design. y resolver los problemas 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6, 11.7, 11.8.

ASESORÍA: Permanente en contacto con el Tutor vía celular y correo electrónico ciro.carvajal@uan.edu.co

ACTIVIDADES TUTORIALES: Se dictará la tutoría # 3, # 4, se resolverán problemas e inquietudes y se estudiará detenidamente la solución a los problemas asignados.Realizar el seguimiento y control de las actividades extratutoriales programadas, especialmente de los informes o trabajos escritos preparados por los estudiantes, así como del Proyecto Integrador definido por el tutor. (10 minutos)

EVALUACION: Se evalúan los procesos de adquisición de conocimiento a través del continuo desarrollo de los talleres, exposiciones orales, avances en los proyectos de investigación, y por otro parte, se deben presentar como mínimo dos parciales escritos que valoran la apropiación del conocimiento por parte del estudiante.

Los porcentajes de evaluación para el trabajo programado para esta guía (10% de la calificación final) son los siguientes:

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Home work No. 2: 50 %.Examen Parcial No. 2: 50 %.

BIBLIOGRAFIA:

TEXTOS GUIA: 1. MOTT, ROBERT L. Diseño de Elementos de Máquinas. Ed. Pearson – Prentice Hall, Cuarta Edición, 2006. 2. ROBERT C. JUVINALLl and Kurt M. Marshek, Fundamentals of Machine Component design. 3rd Edition. 3. SHIGLEY y MISCHKE, Diseño en ingeniería mecánica. 5ta Edición. Mc Graw Hill.

TEXTOS COMPLEMENTARIOS: 1. HAMROCK, J. BERNARD. Elementos de máquinas. Ed. Mc Graw Hill, Primera

Edición, 2000.2. MOTT, ROBERT L. Resistencia de materiales aplicada, Prentice Hall, tercera edición,

1.996. 3. Shigley y Mischke, Fundamentos de Diseño Mecánico. Serie para diseñadores

mecánicos.4. Catálogo general SKF rodamientos.

5. Catálogo general NSK rodamientos.

6. Catálogo NSK guía de reemplazo de rodamientos.

7. Geoffrey Boothroyd, Peter Dewhurst and Winston Knight. Product design for manufacture and assembly, second edition, Marcel Dekker, Inc.

CIBERGRAFIA:

www.sme.com

http://grad.uprm.edu/oeg/TesisDisertacionesDigitales/

www.uprm.edu

www.sigmadesign.net

www.uprm.edu

http://grad.uprm.edu/oeg/TesisDisertacionesDigitales/

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Características y tipología de los remachesEl remache es un sistema de fijación, cuya fi-nalidad es unir dos piezas de igual o distinto material

El remache se compone de dos piezas: cabeza y vástago.

Como utilizarlos

1.- Se introduce el vástago en la boquilla de la remachadora. A continuación, se in-troduce la cabeza del remache dentro de los taladros realizados previamente en las piezas a unir, de forma que facilitemos el proceso de unión de las dos piezas a remachar.

2.- Mediante la acción de la remachadora, las mordazas ejercen sobre el vástago una fuerza de tracción.

La cabeza del vástago deforma la cabeza del remache, uniendo las dos piezas.

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3.- Cuando llegamos al grado máximo de presión, el vástago, que se encuentra de-bilitado en su parte superior, a una carga determinada, parte a paño con la cabeza del remache.

4.- Una vez separados vástago y cabeza, tenemos una fijación limpia, rápida y du-radera.

Es muy importante elegir adecuadamente la boquilla a utilizar, así como el taladro que debemos de dar en función del diámetro del remache elegido.

Tipos de remaches

Según su tipo de cabeza los podemos clasificar:

1.- Alomada

La más demandada en el mercado, debido a la diversidad de usos a los que se adapta.

Disponible en todos los diámetros y longitudes, según Norma Din 7337. Con capa-cidad de remachado de 2,4 a 6,4 mm de diámetro y de 0,5 a 182 mm de espesor.

2.- Avellanada

Es usada cuando se necesita un acabado plano, es decir, que no sobresalga la ca-beza del plano de las piezas que estamos remachando.

Disponible en todos los diámetros y longitudes según Norma Din 7337.

3.- Ancha

Este tipo de cabeza nos permite remachar materiales de diferentes resistencias, ya que reparte las cargas en una superficie mayor, evitando así su deformación.

Disponible en diámetros 9,5 - 11 - 12 - 14 y 16 mm de cabeza, según sea el tipo y diámetro del remache elegido.

Los remaches suelen estar fabricados en los si-guientes materiales:

Aleación de Aluminio-Magnesio

Acero

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Acero Inoxidable

Cobre

Según el tratamiento superficial de acabado:

Lacados en colores según RAL

Anodizados

Cincados

Bicromatizados, etc.

El vástago

El vástago o clavo se fabrica con una longitud y una carga predeterminada, en con-sonancia con la cabeza a la cual va montado. Se pueden fabricar vástagos de dis-tintos tamaños y con diferentes cargas de rotura bajo especificación previa.

De igual forma, se puede variar la distancia del punto de rotura para conseguir que el vástago quede retenido dentro de la cabeza o, por el contrario, el vástago se desprenda de la cabeza, quedando ésta totalmente hueca.

En los casos en que la cabeza del vástago queda retenida, siempre ha de llevar una protección antióxido (cincado, bicromatizado, etc.).

RemacheDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a navegación, búsqueda

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Varios remaches de distintos tamaños.

Un remache es un elemento de fijación (un cierre mecánico) que se emplea para unir dos o más piezas. Consiste en un tubo cilíndrico (el vástago) que en su fin dispone de una cabeza. Las cabezas tienen un diámetro mayor que el resto del remache, para que así al introducir éste en un agujero pueda ser encajado. El uso que se le da es para unir dos piezas distintas, sean o no del mismo material.

Un remache es un tipo de roblón. Tiene forma cilíndrica, con un extra denominado cabeza de asiento, que puede, a su vez, tener distintas formas.

El remache es un tipo de accesorio para unir dos piezas, que es la misma función que tiene el tornillo, con sus diferencias: el remache generalmente es un pasador con cabeza, de me-tal, el cual puede ser caliente (se debe calentar primero) o frío (de un metal tan blando que se remacha en frío).

El remache, además, no es reusable como el tornillo: sólo se usa una vez y se utiliza de la siguiente manera:

Se practica un barreno en las piezas a unir: éste debe ser de la medida exacta del re-mache.

En caso de ser un remache caliente, primero se calienta al rojo, se coloca en el ba-rreno, se detiene por el lado de la cabeza, y por el otro se "remacha", es decir, se golpea tanto de manera que se achata y queda soportado por ambos lados.

El remache en frío, del cual el más común es el remache pop, es generalmente de aluminio y consiste en un perno también, pero con la peculiaridad de ser hueco y te-ner atravesado una barra parecida a un clavo, con una punta hacia la parte trasera de

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la cabeza y punta redondeada al extremo del perno. Éste se introduce también al ba-rreno como el caliente, pero no se "remacha" a golpes, sino que, con una pinza espe-cial en la cual se monta, se "jala" al perno por la parte de su punta, de manera que la punta redondeada de la barra hace que el perno hueco "crezca" y quede sujetado en su lugar. Un detalle muy importante de su manejo es que no admiten ajustes poste-riores a su ubicación y que no soportan vibración.

Los remaches son montajes reversibles del tipo B1, y tienen la particularidad de hacer inne-cesario el acceso por ambas caras para su montaje. Existen diversos tipos de montajes (A, B, C) en función de la reversibilidad del proceso aditivo del que hablemos. Así, los tipo A son los más reversibles y los C los totalmente irreversibles, para los cuales deshacer la unión implica la rotura parcial o total de los materiales a unir.

Las uniones de remachadas constituyen, junto con la soldadura, una forma de unión perma-nente de piezas. Se utiliza en la industria aeronáutica, naviera y constructiva

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La Unión entre las Piezas que forman una estructura metálica, puede efectuarse mediante soldadura o con tornillería.

Para los trabajos realizados en taller, el medio de unión más usado y económico es la

soldadura.

Para los trabajos de montaje en obra se utilizan de igual modo la soldadura o las uniones

atornilladas.

También debemos considerar los medios de unión entre la cimentación y la estructura

mediante los pernos de anclaje y los pernos conectadores para la unión entre acero y

hormigón en el caso de estructuras mixtas.

Contenido

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1 Ventajas de las Uniones por Soldadura

2 Métodos

3 Tipos de Uniones

4 Artículos Relacionados

5 Enlaces Externos

Ventajas de las Uniones por Soldadura

La unión entre piezas por soldadura presenta las siguientes ventajas:

El tiempo de preparación es menor que en el caso de las uniones atornilladas.

Las uniones prácticamente no se se deforman y son estancas.

Las uniones son más sencillas y tiene mejor apariencia.

A pesar de todo esto, emplear soldaduras requiere de precauciones a la hora de su ejecución

en obra; llevarlas a cabo exige personal cualificado, los encargados de realizar estos

trabajos deben llevar protección y deben cuidarse las soldaduras a la intemperie sobre todo

en tiempos inclementes; toda su ejecución requiere de control de calidad.

Métodos

La soldadura más usada es la de fusión con electrodo fusible. Este método consiste en la

unión de dos piezas mediante la utilización de un cordón de metal fundido que proviene del

electrodo. Para no permitir que el baño de fusión se oxide en contacto con el aire, se lo

protege con una envoltura gaseosa.

El tipo de protección determina distintos tipos de soldadura, a saber:

Soldadura Manual

Se realiza con electrodo revestido SMAW (del inglés: Shielded Metal arc Welding); es la

fusión del revestimiento la que crea la protección. Para soldaduras de acceso dificultoso o

soldaduras de obra.

Soldadura Semi-Automática

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Esta soldadura está protegida bajo atmósfera de gas inerte, incluida de manera

independiente, GMAW (del inglés: Gas Metal arc Welding).

Soldadura Automática

Se realiza bajo un polvo fundente o flux, o también llamado arco sumergido; SAW (del

inglés: Sumerged Arc Welding).

Otros Sistemas de Unión por Soldadura

o Soldadura por Resistencia Eléctrica (pernos conectadores).

o Soldadura con Plasma.

o Por Láser o Ultrasonido.

Tipos de Uniones

Existen diferentes formas de disponer las uniones por soldaduras, las más usuales son:

Soldadura a Tope

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Cordón de Soldadura a Tope

Soldadura a Tope con elementos en prolongación en T ó en L.

Los bordes se preparan según los tipos H, V, X, Y, Z, indicados en los gráficos; se

determinan en cada caso según su espesor y por la posición de los elementos a unir según la

tabla siguiente:

Espesor

En Prolongación Horizontal

En Prolongación Vertical

en T ó L

5 H H ---

5 -10 H V Z

10 - 15 V V Z

12 - 50 V V Y

20 -40 X X Y

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En caso de unir dos piezas de distinta sección dispuestas en prolongación, la que posee

mayor sección se adelgaza con una pendiente no superior al 25% hasta conseguir el espesor

de la pieza más delgada en la zona de contacto.

La soldadura debe ser continua a todo lo largo de la unión y con completa penetración.

En uniones de fuerza, debe realizarse por ambas caras el cordón de soldadura.

En caso de no ser posible el acceso por la cara posterior, la soldadura se realiza por medio

de chapa dorsal.

El cordón de soldadura a tope no necesita dimensionarse.

Soldadura en Ángulo

Cordón de soldadura en ángulo - G.

La soldadura en ángulo puede ser en ángulo de esquina o en solape.

Se realiza con cordón continuo de espesor de garganta G, siendo G la altura del máximo

triángulo isósceles inscrito en la sección transversal de la soldadura (ver gráfico).

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Si la longitud del cordón no supera los 500 mm, para su ejecución se comienza por un

extremo siguiendo hasta el otro.

Cuando la longitud se encuentra entre 500 mm y 1000 mm, la soldadura se ejecuta en dos

tramos, iniciándola en el centro.

Cuando la longitud supera los 1000 mm, la soldadura se ejecuta por cordones parciales,

terminando el tramo donde comienza el anterior.

Las esquinas de chapas donde coinciden los puntos de cruce de cordones, debe recortase

para evitar el cruce.

Nunca se ejecuta una soldadura a lo largo de otra ya realizada.

Se deberá indicar en los planos del proyecto el tipo de soldadura y sus medidas (longitud y

espesor de garganta G ).

Los planos de taller deben indicar la preparación de bordes.

Artículos Relacionados

Clasificación de Cordones según su Posición

Electrodos para Soldaduras

Trabajos de Soldadura

Soldadura Autógena

Soldadura por Arco Eléctrico

Oxicorte

Terminología de Soldaduras en Estructuras Metálicas

Muelle elásticoDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a navegación, búsqueda Para otros usos de este término, véase Muelle.«Resorte» redirige aquí. Para otras acepciones, véase Resorte (desambiguación).

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Muelles de tracción.

Se conoce como muelle o resorte a un operador elástico capaz de almacenar energía y des-prenderse de ella sin sufrir deformación permanente cuando cesan las fuerzas o la tensión a las que es sometido. Son fabricados con materiales muy diversos, tales como acero al car-bono, acero inoxidable, acero al cromo silicio, cromo-vanadio, bronces, plástico, entre otros, que presentan propiedades elásticas y con una gran diversidad de formas y dimensio-nes.

Se les emplean en una gran cantidad de aplicaciones, desde cables de conexión hasta dis-quetes, productos de uso cotidiano, herramientas especiales o suspensiones de vehículos. Su propósito, con frecuencia, se adapta a las situaciones en las que se requiere aplicar una fuer-za y que esta sea retornada en forma de energía. Siempre están diseñados para ofrecer resis-tencia o amortiguar las solicitaciones externas.

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Contenido[ocultar]

1 Tipos de resortes 2 Física del resorte

o 2.1 Energía de deformación o 2.2 Ecuación diferencial y ecuación de ondas

2.2.1 Muelle con una masa suspendida 2.2.2 Muelle de densidad variable

o 2.3 Soluciones a la ecuación de ondas en un muelle 3 Véase también 4 Enlaces externos

[editar] Tipos de resortes

Resorte de torsión.

De acuerdo a los fuerzas o tensiones que puedan soportar, se ditinguen tres tipos principales de resortes:

Resortes de tracción: Estos resortes soportan exclusivamente fuerzas de tracción y se caracterizan por tener un gancho en cada uno de sus extremos, de diferentes esti-los: inglés, alemán, catalán, giratorio, abierto, cerrado o de dobles espira. Estos gan-chos permiten montar los resortes de tracción en todas las posiciones imaginables.

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Resorte cónico de compresión.

Resortes de compresión: Estos resortes están especialmente diseñados para sopor-tar fuerzas de compresión. Pueden ser cilíndricos, cónicos, bicónicos, de paso fijo o cambiante.

Resortes de torsión: Son los resortes sometidos a fuerzas de torsión (momentos).

Existen muelles que pueden operar tanto a tracción como a compresión. También existen una gran cantidad de resortes que no tienen la forma de muelle habitual; quizás la forma más conocida sea la arandela grower.

Resorte especial.

[editar] Física del resorte

[editar] Energía de deformación

La manera más sencilla de analizar un resorte físicamente es mediante su modelo ideal glo-bal y bajo la suposición de que éste obedece la Ley de Hooke. Se establece así la ecuación del resorte, donde se relaciona la fuerza F ejercida sobre el mismo con el alargamiento/con-tracción o elongación x producida, del siguiente modo:

,     siendo   

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Donde k es la constante elástica del resorte, x la elongación (alargamiento producido), A la sección del cilindro imaginario que envuelve al muelle y E el módulo de elasticidad del muelle (no confundir con el módulo de elasticidad del material).

La energía de deformación o energía potencial elástica Uk asociada al estiramiento o acorta-miento del muelle viene dada por la integración de trabajo realizado en cada cambio infi-niesimal de su longitud:

Si la rigidez del muelle es independiente de su deformación, entonces

[editar] Ecuación diferencial y ecuación de ondas

Definiremos ahora una constante intrínseca del resorte independiente de la longitud de este y estableceremos así la ley diferencial constitutiva de un muelle. Multiplicando k por la lon-gitud total, y llamando al producto ki o k intrínseca, se tiene:

   donde  

Llamaremos a la tensión en una sección del muelle situada a una distancia de uno de sus extremos, que consideraremos fijo y que tomaremos como origen de coordenadas, kΔx a la constante de un pequeño trozo de muelle de longitud a la misma distancia y

al alargamiento de ese pequeño trozo en virtud de la aplicación de la fuerza . Por la ley del muelle completo:

Tomando el límite:

que por el principio de superposición resulta:

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Si además suponemos que tanto la sección como el módulo de elasticidad pueden variar con la distancia al origen, la ecuación queda:

Que es la ecuación diferencial completa del muelle. Si se integra para todo x, de obtiene como resultado el valor del alargamiento unitario total. Normalmente puede considerarse F (x) constante e igual a la fuerza total aplicada. Cuando F (x) no es constante y se incluye en el razonamiento la inercia de éste, se llega a la ecuación de onda unidimensional que descri-be los fenómenos ondulatorios.

Supongamos, por simplicidad, que tanto la sección del resorte, como su densidad (enten-diendo densidad como la masa de un tramo de muelle dividida por el volumen del cilindro imaginario envolvente) y su módulo de elasticidad son constantes a lo largo del mismo y

que el resorte es cilíndrico. Llamemos al desplazamiento de una sección de muelle. Ahora tomemos un tramo diferencial de muelle de logitud (dx). La masa de esa porción vendrá dada por:

dm = ρAdx

Aplicando la segunda ley de Newton a ese tramo:

Es decir:

Por otro lado es sencillo deducir que

Al introducir, por tanto, esta expresión en la ecuación diferencial del muelle antes deducida, se llega a:

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Derivando esta expresión respecto a x se obtiene:

Juntando la expresión temporal con la expresión espacial se deduce finalmente la ecuación general de un muelle cilíndrico de sección, densidad y elasticidad constantes, que coincide exactamente con la ecuación de onda longitudinale:

De la que se deduce la velocidad de propagación de perturbaciones en un muelle ideal como:

[editar] Muelle con una masa suspendida

Para el caso de un muelle con una masa suspendida,

Cuya solución es x = Csinωt, es decir, la masa realiza un movimiento armónico simple de amplitud A y frecuencia angular ω. Derivando y sustituyendo:

Simplificando:

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Esta ecuación relaciona la frecuencia natural con la rigidez del muelle y la masa suspendi-da.

[editar] Muelle de densidad variable

Para un muelle de densidad variable, módulo de elasticidad variable y sección de la envol-vente variable, la ecuación generalizada de las perturbaciones es la que sigue:

En un resorte de estas características, la onda viajera cambiaría su velocidad y, por tanto, su longitud de onda a lo largo del recorrido. Además, en unas zonas del muelle su amplitud se-ría mayor que en otras.

En el análisis de un resorte real, aparecen también ondas longitudinales, transversales y de torsión lo largo y ancho de las espira que se propagan a una velocidad que depende de la raíz cuadrada del módulo de elasticidad E del material para las longitudinales del módulo de elasticidad transversal G del material para las transversales y del módulo de torsión de la espira para las de torsión, divididas todas por la densidad del material.

[editar] Soluciones a la ecuación de ondas en un muelle

La solución general a la ecuación en derivadas parciales del muelle simplificado de longi-tud infinita se describe a continuación. Dadas las condiciones iniciales:

donde , la función de D'Alembert solución a la ecuación de onda puede escribir-se como:

Solución a condiciones iniciales senoidales.

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Tal solución admite que F y G puedan ser cualquier clase de funciones contínuas y cuando .

Para un muelle de longitud finita L con sus extremos anclados, el problema se convierte en uno de contorno que puede resolverse mediante separación de variables con la teoría de Sturm-Liouville. Dadas unas condiciones iniciales como las anteriormente descritas y unas condiciones de contorno de extremos fijos. Las condiciones iniciales pueden desarrollarse en una serie de Fourier de la siguiente forma:

En donde los coeficientes de Fourier se obtienen tras integrar las funciones f y g como si-gue:

para n = 1,2,...

La solución a este problema queda escrita como sigue:

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Una onda estacionaria. Los puntos rojos representan los nodos

[editar] Véase también

Ley de elasticidad de Hooke . Módulo de elasticidad .