Hola
Voy a escribir un post acerca de una parte fundamental en la resolución de ecuaciones diferenciales. Se trata de las condiciones de contorno.
Como ya sabréis, las condiciones de contorno permiten definir una ecuación diferencial a un caso concreto, esto es, la ecuación pasa de tener infinitas familias de soluciones a tener una sola. Las condiciones de contorno son definidas de esta forma porque típicamente describen el comportamiento de un sistema en la zona donde se acaba el sistema que se quiere analizar: por ejemplo, si quiero describir la transferencia de calor a través de una placa metálica, el volumen en el cual me interesa analizar como fluye el calor utilizando mi ecuación diferencial será una zona determinada que yo me trace, digamos por simplicidad, un rectángulo o cuadrado que abarque todo el espesor de la placa. Se introduce un dibujo para ilustrar el ejemplo:

En la imagen se muestra en linea sólida el contorno físico de nuestra placa metálica, y en linea discontinua el límite de nuestro "volumen de control" que vamos a considerar. Típicamente en la literarura se denomina al dominio que se va a analizar con una ecuación
Ω, y a cada uno de las superficies que delimitan dicho volumen se las denomina con la letra
Γ . En este caso, se ha denotado como
Γ1, Γ2, Γ3 y
Γ4 a las superficies que delimitan el contorno.
En este punto uno se plantea la pregunta de cuantas condiciones de contorno debe imponer y que forma tienen que tener. Esta pregunta no tiene una respuesta inmediata: depende de que fenómeno estemos describiendo.
Las ecuaciones diferenciales de la forma $u_t = K \nabla^2 u$, con $\nabla^2 = \frac{\partial}{\partial x_i} $ son denominadas ecuaciones parabólicas. Este tipo de ecuaciones se caracteriza porque debemos definir una condición de contorno por cada derivada que aparezca para cada una de las variables que este derivada.
Por ejemplo, si tenemos $u_t = D(u_{xx} + u_{zz})$, entonces tendremos que definir 4 condiciones de contorno, puesto que tenemos 2 variables espaciales independientes ("x" y "z") derivadas 2 veces. Estas condiciones deben estar dadas de forma que cubran TODAS las fronteras que posee nuestro volumen. Además, la variable tiempo también es una variable independiente del problema y esta derivada una vez. Por lo tanto necesitamos una condición más para esta variable. Típicamente se denomina a las condiciones de contorno para la variable tiempo "condiciones iniciales", puesto que marcan el estado de un sistema en un punto del tiempo, normalmente en el estado inicial de la simulación (t=0). Ejemplos clásicos de este tipo de ecuaciones son la ley de Fourier del calor o la ley de Fick de transferencia de masa.
Las ecuaciones del tipo $u_{tt}=u_{xx}$ se denominan ecuaciones hiperbólicas. Notad que la diferencia con respecto al caso parabólico es que la variable tiempo esta derivada dos veces. Para la resolución de estas ecuaciones sólo son necesarias dos condiciones iniciales.
Las ecuaciones tipo $\nabla^2 u = f(u_i) $ son denominadas ecuaciones elípticas. Estas ecuaciones necesitan definir i condiciones de contorno, esto es, una condición de contorno para cada variable dimensional independiente. Notad que en este tipo de problemas no hay variable tiempo.
¿Que forma deben tener las condiciones de contorno?. En la literatura estan clasificadas en tres tipos:
- Condición de contorno tipo "Dirichlet": Son aquellas que dan el valor de una variable en una de las fronteras. Ej: $T(y=0)=T_0$
- Condición de contorno tipo "Newman": Son aquellas que dan el valor de LA DERIVADA de una variable en una de las fronteras. Ej: $\frac{dT}{dx}(x=0)=0$
- Condición de contorno tipo "Robin" o "mixta": Son aquellas que dan el el valor de LA SUMA del valor de una función y de su derivada. Ej: $T(x=0)+\frac{dT}{dx}(x=0)=0$
Aplicaremos todo lo explicado al ejemplo que se trataba anteriormente. En primer lugar, el problema es un problema bidimensional, puesto que el dibujo es 2D y no se especifica nada de 3 dimensiones. Al ser una ecuación de Fourier, la ecuación es parabólica, por lo que exige definir condiciones de contorno en
Γ1, Γ2, Γ3 y
Γ4 . Estableceremos el origen de coordenadas en el extremo inferior izquierdo para determinar las condiciones apropiadamente.
$$T_t= K\left( T_{xx}+T{zz} \right)$$
Recordad que nuestro objetivo es hallar T(x,z,t)
Conocemos las temperaturas de la placa superior e inferior. Esto nos da dos condiciones de contorno:
$$T(x,0,t)=T_{cold}$$
$$T(x,H,t)=T_{hot}$$
siendo H el espesor de la placa.
Falta definir 2 condiciones de contorno para los bordes
Γ3 y
Γ4. No conocemos el valor de la temperatura en dichos contornos, pero si podemos suponer que si nuestra placa se extiende uniformemente en la dirección x, es de esperar que el calor fluya para cualquier x en dirección z. Esto se traduce en que para una misma altura z, el calor va a fluir de la misma forma sea cual sea el punto en el eje x. Eso implica que no existirá variación de la temperatura al movernos en el eje x:
$$\frac{\partial T}{\partial x}(0,z,t)=0$$
$$\frac{\partial T}{\partial x}(L,z,t)=0$$
siendo L la longitud del trozo de placa que hemos tomado.
Puesto que la ley de Fourier depende del tiempo, debemos establecer una condición inicial. Podemos suponer que la temperatura en todo el dominio $\Omega$ sea una temperatura $T_0$ que tiene que ser dada, la cual puede ser una constante o una función.
$$T(x,z,0)=T_0$$
Con esto el problema quedaría cerrado y podría ser resuelto.
Un detalle más. Se trata de la diferencia entre condición de contorno homogenea y condición de contorno inhomogenea. Una condición de contorno es homogenea cuando esta igualada a cero (ej: T(0,y)=0). En caso contrario se denomina inhomogenea (Ej: T(0,y)=f(x,y)).
Un punto imporante que debe ser entendido es que las condiciones de contorno inhomogeneas introducen UNA FUENTE DE EXCITACIÓN EN EL SISTEMA. Esto es, cuando se dice que la temperatura en una frontera toma un valor $$T_0$$, estoy asumiendo que estoy introduciendo calor al sistema en ese punto. Esto de un modo u otro va a suponer que el sistema RESPONDERÁ ante dicha entrada con un comportamiento dado, que en este ejemplo será que el perfil de temperaturas en el volumen de control será uno específico. Una condición de contorno homogenea NO introduce excitación en el problema.