Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

APPLICATION OF DEVICES OF INTEGRAL CALCULUS FOR SOLVING APPLIED PROBLEMS IN ELECTRICAL ENGINEERING AND AERODYNAMICS

Turaev R.M. 1 Uryadov N.V. 1
1 Stavropol State Agrarian University
This article is devoted to the use of integrals in the course of the subjects we are studying, namely, physics, electronics and electrical engineering. Currently, many processes that occur in nature are described using differential equations. Integral calculi, in most cases, are used where there are some transients or there are many variables. Therefore, in this article, specific examples will demonstrate the features of the application of integration in problems of various levels of complexity. The sequence of their solution is shown. It is demonstrated that in each problem different types of integrals can be used, both definite and nominal. The result of the article will be the establishment of a common feature of all problems, for the solution of which it is required to apply the integrated method of calculation.
integral
physics
mathematics
Duhamel integral
electrical engineering
aerodynamics
derivative
equation

На втором курсе мы начнем изучать такую дисциплину, как электротехника, где задачи решаются не простыми математическими действиями, а сводятся к использованию матриц, дифференциалов, определенных и не определенных интегралов. Данная статья будет посвящена использованию интегралов при решении сложных задач.

Хорошим примером могут служить задачи, решаемые с помощью интеграла Дюамеля. Данный интеграл применяется для нахождения неизвестных при решении задач, в которых происходят переходные процессы в цепях [3, 5].

Задача 1. На зажимах цепи действует одиночный импульс напряжения. Требуется с помощью интеграла Дюамеля определить переходный ток в одной из ветвей заданной цепи, возникающий при действии импульса напряжения и рассчитанного переходного тока.

tur1.tif

Дано:

R=50 Ом.

L=100 мГн = 0,1 Гн.

Найти: tr1.wmf.

Решение.

Для начала мы находим переходную функцию системы tr2.wmf:

tr3.wmf.

Теперь находим неизвестные, в данном случае ток с индуктивностью при включении источника напряжения:

tr4.wmf;

tr5.wmf.

Нам неизвестна константа A. Согласно первому закону коммутации, ток через индуктивность скачком изменяться не может. А это значит, что до включения в цепь источника питания, ток в индуктивностиотсутствовал, то есть,его и не будет в начальный момент времени tr6.wmf.

tr7.wmf.

Из данной формулы получаем, что

tr8.wmf.

Характеристическое сопротивление выражается формулой

tr9.wmf;

tr10.wmf;

tr11.wmf;

tr12.wmf.

Теперь вернемся к начальному уравнению и подставим в него найденных величины:

tr13.wmf

tr14.wmf

Посчитав переходную функцию системы tr15.wmf, перейдем к нахождению выходной функции напряжения, разбив данную формулу на два участка:

tr16.wmf

при tr17.wmf

tr18.wmf

при tr19.wmf

Найдём первую производную данных уравнений:

tr20.wmf

tr21.wmf.

Для первого интервала времени ток в индуктивности будет равен:

tr22.wmf

при tr23.wmf

tr24.wmf

Для второго интервала времени ток в индуктивности будет равен:

tr25.wmf

при tr26.wmf

tr27.wmf

На данном примере мы раскрыли специфику решения задач по электротехнике, используя метод Дюамеля, основанный на принципе суперпозиции для линейных систем.

Теперь рассмотрим пример задачи, не связанной с электротехникой, при решении которой, применяется интегрирование. Возьмем теоретическую задачу на нахождение пройденного пути под действием аэродинамической силы [2, 6].

Решение. При увеличении скорости в среде, на смену вязкому трению приходит сила сопротивления. Она же воздействует на самолет во время полета. Теперь уравнение движения имеет вид:

tr28.wmf, (1.1)

где неизменяемый коэффициент β зависит от формы тела и свойств среды. Задача заключается в исследовании процессов торможения частиц при попадании в среду, имеющую сопротивление.

Переменные в уравнении движения делятся:

tr29.wmf.

Проинтегрируем это соотношение со времени попадания частицы в среду, то есть tr30.wmf и до произвольно момента времени t:

tr32.wmf

Теперь мы можем легко выразить зависимость скорости от времени:

tr33.wmf (1.2)

Замедление частицы происходит по гиперболическому закону, то есть чем больше значение tr34.wmf, тем сильнее частица тормозит.

Для нахождения зависимости пути от времени tr35.wmf, подставим tr36.wmf в формулу (1.2):

tr37.wmf.

Данное уравнение позволяет с легкостью разделить переменные и сделать интегрирование с момента начала движения и до момента времени t

tr39.wmf

Так, как tr40.wmf получаем:

tr41.wmf. (1.3)

Таким образом, мы можем наблюдать, что пройденный частицей путь под действием аэродинамической силы со временем неограниченно увеличивается, в отличие от движения под действием силы вязкого трения. Другими словами, аэродинамическое сопротивление довольно таки мало для полной остановки тела. Но нельзя не отметить тот факт, что на начальном этапе сила аэродинамического замедления может быть больше, чем сила вязкого трения, однако, по мере торможения тела, силы вязкого трения постепенно становятся больше аэродинамических сил. Это приводит к неограниченности пройденного пути в рамках зависимости (1.3). Но в большинстве сред аэродинамическое сопротивление уступает место вязким силам сопротивления, которые завершают процесс торможения [1, 4]

В конечном итоге, можно сделать вывод, что интегральные исчисления используются вразличных типах задач, в которых присутствуют переходные процессы или большое количество неизвестных.