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Título: Distribuição de temperatura em uma haste por meio do método shooting e diferenças finitas
Título(s) alternativo(s): Temperature distribution in a rod using the shooting and finite difference methods
Autor(es): Barbosa, Francisca Caroline
Orientador(es): Cargnelutti, Jocelaine
Palavras-chave: Equações diferenciais
Calor - Transmissão
Diferenças finitas
Differential equations
Heat - Transmission
Finite differences
Data do documento: 26-Nov-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Toledo
Citação: BARBOSA, Francisca Caroline. Distribuição de temperatura em uma haste por meio do método shooting e diferenças finitas. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Licenciatura em Matemática) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Toledo, 2025.
Resumo: Este trabalho investiga a distribuição de temperatura em uma haste metálica submetida a condições de contorno específicas, utilizando dois métodos numéricos empregados na resolução de equações diferenciais ordinárias (EDO): o Método das Diferenças Finitas (MDF) e o Método Shooting. O problema é modelado por uma EDO não linear de segunda ordem, que descreve o comportamento térmico de uma haste durante o processo de condução e convecção de calor. A escolha desses métodos justifica-se pela necessidade de encontrar soluções aproximadas para problemas cujas soluções analíticas não existem, além de realizar uma análise comparativa de suas soluções diante da implementação computacional. Para o MDF, o domínio foi dividido em subintervalos, transformando a equação diferencial em um sistema de equações algébricas não lineares, resolvido numericamente com o auxílio do Método de Newton. Já no Método Shooting, o problema de valor de contorno foi convertido em um problema de valor inicial, resolvido pelo método de Runge-Kutta de quarta ordem, em conjunto com o Método da Secante, para ajustar a inclinação inicial até atender às condições impostas nas extremidades da haste. A implementação dos métodos foi realizada na linguagem de programação Python, que se mostrou uma ferramenta eficaz para a execução dos algoritmos e gráficos para este problema. A análise comparativa entre os métodos evidenciou excelente concordância entre as soluções obtidas, com comportamento térmico semelhante ao longo do comprimento da haste. O MDF destacou-se pela simplicidade de implementação, enquanto o Método Shooting demonstrou alta precisão de convergência. Ambos os métodos mostraram-se adequados para a resolução de EDOs não lineares, especialmente no caso da haste, constituindo alternativas viáveis para problemas de engenharia térmica e outras áreas aplicadas da ciência. Conclui-se que o estudo contribui para o entendimento de equações diferenciais e o uso de métodos numéricos na resolução de problemas físicos, além de reforçar o potencial das ferramentas computacionais no ensino, mostrando como a matemática aplicada pode descrever e prever fenômenos reais com precisão e eficiência.
Abstract: This study aimed to investigate the temperature distribution in a metallic rod subjected to specific boundary conditions, using two numerical methods widely applied in the solution of ordinary differential equations: the Finite Difference Method (FDM) and the Shooting Method. The problem was modeled by a nonlinear second-order ordinary differential equation that describes the thermal behavior of a rod during the heat conduction and convection process. The choice of these methods is justified by the need to obtain approximate solutions for problems whose analytical solutions are either unfeasible or complex, in addition to allowing a comparative analysis of their efficiency, accuracy, and computational implementation. The mathematical formulation of the problem involved modeling the physical phenomenon of heat transfer, considering parameters that represent the effects of conduction, convection, and thermal radiation. For the Finite Difference Method, the domain was discretized into uniform subintervals, transforming the differential equation into a nonlinear system of algebraic equations, which was numerically solved using the Newton Method. In the Shooting Method, the boundary value problem was converted into an equivalent initial value problem and solved using the fourth-order Runge–Kutta method, combined with the Secant Method, to adjust the initial slope until the imposed boundary conditions at the rod ends were satisfied. The implementation of both methods was carried out using the Python programming language, which proved to be an effective tool for algorithm execution, result visualization, and validation. The comparative analysis between the methods showed excellent agreement between the obtained solutions, presenting a similar thermal behavior along the rod’s length. The FDM stood out for its simplicity of implementation, while the Shooting Method demonstrated high accuracy and rapid convergence. Both methods proved suitable for solving nonlinear ODEs, representing viable alternatives for problems in thermal engineering and other applied sciences. It is concluded that the study contributes to a deeper understanding of the use of numerical methods in the resolution of physical problems, as well as reinforces the potential of computational tools in teaching and research. Moreover, it highlights the relevance of mathematical modeling in describing and predicting real physical phenomena with precision and efficiency.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40382
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