Dinámica: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 20 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Cinemática

Velocidad
v = v0 + a·t
Desplazamiento
s = v0·t + ½·a·t²
Sin el tiempo
v² = v0² + 2·a·s
Unidades
1 m/s = 3,6 km/h

Método

  1. Anota lo que sabes: v₀, v, a, t y s, con unidades.
  2. Elige la ecuación que contiene tus tres datos conocidos y la incógnita.
  3. Elige un sentido positivo y da signo menos a las magnitudes en sentido contrario.
  4. Resuelve y comprueba que la respuesta tiene sentido físico.

Leyes de Newton

Segunda ley
ΣF = m·a
Peso
W = m·g
Rozamiento dinámico
Ff = μ·N
En un plano inclinado
paralela: m·g·sin θ, normal: m·g·cos θ

Método

  1. Dibuja un diagrama de cuerpo libre con todas las fuerzas sobre el cuerpo.
  2. Elige un sentido positivo a lo largo del movimiento.
  3. Descompón las fuerzas en componentes paralelas y perpendiculares al movimiento (en un plano inclinado: m·g·sin θ a lo largo del plano, m·g·cos θ contra el plano).
  4. Aplica ΣF = m·a en la dirección del movimiento; el rozamiento es μ·N y se opone al movimiento.

Tiro parabólico

Componentes
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Posición
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Altura máxima
H = h + vy²/(2g)
Alcance (suelo horizontal)
R = v0²·sin 2θ/g

Método

  1. Descompón la velocidad de lanzamiento en componentes: vx = v₀·cos θ y vy = v₀·sin θ.
  2. El movimiento horizontal tiene velocidad constante; el vertical tiene aceleración −g.
  3. Halla el tiempo de vuelo a partir del movimiento vertical.
  4. Usa ese tiempo en el movimiento horizontal para hallar el alcance.

Movimiento circular

Aceleración centrípeta
a = v²/r = ω²·r
Fuerza centrípeta
F = m·v²/r
Velocidad angular
ω = v/r = 2π/T
Curva plana, rozamiento
vmax = √(μ·g·r)

Trabajo y energía

Energía cinética
Ek = ½mv²
Energía potencial
Ep = mgh
Balance de energía
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Trabajo de rozamiento
W = μ·N·d
Potencia
P = W/t

Cantidad de movimiento y choques

Cantidad de movimiento
p = m·v
Conservación
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Choque perfectamente inelástico
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Impulso
J = F·Δt = m·Δv

Método

  1. Elige un sentido positivo y da a cada velocidad su signo.
  2. Escribe la cantidad de movimiento total antes: Σm·v.
  3. En un choque perfectamente inelástico los cuerpos se mueven juntos después; en uno elástico también se conserva la energía cinética.
  4. Iguala la cantidad de movimiento antes y después y resuelve.

Rotación del sólido rígido

Momentos de inercia respecto a G
barra mL²/12, disco ½mR², anillo mR², esfera maciza (2/5)mR², esfera hueca (2/3)mR²
Teorema de Steiner
I = IG + m·d²
Radio de giro
I = m·k²
Barra respecto a su extremo
I = mL²/3
Ecuación del movimiento
ΣM = I·α
Velocidad en rad/s
ω = 2π·n/60
Energía cinética
E = ½·I·ω²
Trabajo y potencia
W = T·θ, P = T·ω
Rodadura sin deslizamiento
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Momento angular
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Impacto respecto a un pivote
m·v·d = I·ω

Método

  1. Elige el eje: un pivote fijo, o el centro de masa para cuerpos que ruedan.
  2. Halla el momento de inercia respecto a ese eje a partir de los resultados estándar, usando I = IG + m·d² para un eje desplazado.
  3. Elige el método: ΣM = I·α para aceleraciones y fuerzas, energía (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) para velocidades, momento angular para impactos y cambios bruscos.
  4. Relaciona el movimiento lineal y el angular con v = ω·r y a = α·r, y convierte rpm a rad/s.

Engranajes y trenes de engranajes

Engranajes en contacto
n1·N1 = n2·N2
Par
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potencia
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Tren compuesto
relación total = producto de las relaciones de cada etapa

Muelles y péndulos

Masa en un muelle
T = 2π·√(m/k)
Péndulo
T = 2π·√(L/g)
Frecuencia angular
ω = √(k/m) = 2π/T
Velocidad y aceleración máximas
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Energía
E = ½·k·A²

Vibraciones mecánicas

Frecuencia natural
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
A partir de la deflexión estática
ωn = √(g/δst)
Amortiguamiento crítico
cc = 2√(km) = 2mωn
Factor de amortiguamiento
ζ = c/cc
Frecuencia amortiguada
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Decremento logarítmico
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Muelles en paralelo
k = k1 + k2
Muelles en serie
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Problemas de práctica

1.CinemáticaMedia
t (s)v (m/s)6,667 s30

Un coche que circula a 108 km/h frena con una deceleración constante de 4,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 108 km/ha = −4,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 18 m/s20 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 18 m/s desde el borde de un tejado situado a 20 m sobre el suelo. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿Cuánto tiempo después del lanzamiento llega al suelo? Halla t.

v₀ = 18 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
5 kg30°F = 40 Nμ = 0,3

Se arrastra un trineo de 5 kg por nieve horizontal con una cuerda a 30° por encima de la horizontal y una fuerza de 40 N. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del trineo.

m = 5 kgF = 40 Nθ = 30°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 1 kg9 kgθ = 20°

Un bloque de 1 kg sobre una rampa de 20° está unido mediante un hilo ligero, que pasa por una polea sin rozamiento en lo alto de la rampa, a una masa colgante de 9 kg. La masa colgante baja. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la rampa es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.

m1 = 1 kgm2 = 9 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 32 m/s35°alcanceH = ?

Se lanza una pelota a 35° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la altura máxima H que alcanza la pelota.

v0 = 32 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
9 mv0​ = 35 m/s60°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 35 m/s y 60° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 9 m de altura. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la distancia horizontal x desde el punto de lanzamiento hasta donde cae.

v₀ = 35 m/sθ = 60°hroof = 9 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 80 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 80 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,7. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 80 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
R = 6,5 mh = 26,65 m

Una vagoneta de 0,5 kg se suelta desde el reposo a una altura de 26,65 m sobre una pista sin rozamiento y recorre un rizo vertical de radio 6,5 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza normal Ntop de la pista sobre la vagoneta en lo más alto del rizo.

m = 0,5 kgh = 26,65 mR = 6,5 mg = 9,81 m/s²
Ntop = N
9.Trabajo y energíaMedia
40°d = 13 mμ = 0,1

Un bloque baja desde el reposo por una rampa inclinada 40° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1. Halla su velocidad v tras deslizar 13 m por la rampa.

θ = 40°μ = 0,1d = 13 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabajo y energíaDifícil
F = 145 N25°μ = 0,315 kg

Un bloque de 15 kg parte del reposo al pie de una pendiente de 25° y se tira de él pendiente arriba con una fuerza constante de 145 N paralela a la pendiente. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3. Halla la velocidad v del bloque tras recorrer 5 m pendiente arriba.

m = 15 kgF = 145 Nθ = 25°μ = 0,3d = 5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
5 kg2 m/s3,5 kg

Un deslizador de 5 kg que se mueve a 2 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 3,5 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′2 del segundo deslizador después del choque.

m1 = 5 kgm2 = 3,5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
2,5 kgv = ?12 g20°L = 1,6 m

Una bala de 12 g se dispara horizontalmente contra un bloque de 2,5 kg que cuelga de hilos ligeros de 1,6 m de longitud, y se queda incrustada en él. Los hilos oscilan hasta un ángulo máximo de 20° con la vertical. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 12 gM = 2,5 kgL = 1,6 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
9,5 kgaαM = 16 kgR = 0,4 m

Un bloque de 9,5 kg cuelga de una cuerda ligera enrollada en una polea, un disco macizo uniforme de masa 16 kg y radio 0,4 m que gira sobre un eje horizontal sin rozamiento. El bloque se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v del bloque después de caer 1,5 m.

m = 9,5 kgM = 16 kgR = 0,4 mg = 9,81 m/s²h = 1,5 m
v = m/s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 25°vs = 9,5 m

Un cuerpo (cilindro macizo) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 25° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla su velocidad v después de haber rodado 9,5 m a lo largo de la pendiente.

θ = 25°s = 9,5 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 16, m = 2,5 mm

Un motor de 15 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 16 dientes y módulo 2,5 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.

P = 15 kWn = 1450 rpmN1 = 16m = 2,5 mm
Ft = N
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 200 mmd2​ = 250 mm720 rpmC = 500 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 200 mm y una polea de 250 mm cuyos centros están separados 500 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 200 mmd2 = 250 mmC = 500 mm
θ = °
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

¿Qué longitud debe tener un péndulo simple para que su periodo sea de 1,9 s? Usa g = 9,81 m/s². Halla L.

T = 1,9 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
0,6 kgk = 480 N/mA = 9 cm

Una masa de 0,6 kg unida a un muelle con k = 480 N/m se separa 9 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.

m = 0,6 kgk = 480 N/mA = 9 cm
E = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 80 kN/mζ = 0,4m = 100 kg

Una masa de 100 kg sobre un muelle con una rigidez de 80 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,4. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 100 kgk = 80 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 80m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 5 kN/m y k₂ = 80 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 100 kgk1 = 5 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 100 m

Movimiento con aceleración constante: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² y v² = v₀² + 2·a·s. Elige la ecuación que contiene las tres magnitudes que conoces y la que buscas, y mantén los signos coherentes con un único sentido positivo.

Unidades

v₀ = 108/3,6 = 30 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·4,5) = 100 m

Respuesta

s = 100 m
2.Cinemática

Respuesta: t = 4,563 s

Movimiento con aceleración constante: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² y v² = v₀² + 2·a·s. Elige la ecuación que contiene las tres magnitudes que conoces y la que buscas, y mantén los signos coherentes con un único sentido positivo.

Ecuación del movimiento

Hacia arriba es positivo y el suelo está h₀ por debajo del punto de partida.

−20 = 18·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 18·t − 20 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (18 + √(18² + 2·9,81·20))/9,81 = 4,563 s

Respuesta

t = 4,563 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 5,185 m/s²

Segunda ley de Newton: la fuerza neta sobre un cuerpo es igual a su masa por su aceleración, ΣF = m·a. Dibuja un diagrama de cuerpo libre, elige un sentido positivo a lo largo del movimiento y suma todas las fuerzas en esa dirección: las fuerzas aplicadas, el rozamiento μ·N en contra del movimiento y las componentes del peso.

Fuerza normal

N = m·g − F·sin θ = 49,05 − 40·sin 30° = 29,05 N

Fuerzas horizontales

m·a = F·cos θ − μ·N = 34,64 − 8,715
a = 25,93/5 = 5,185 m/s²

Respuesta

a = 5,185 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 8,309 m/s²

Segunda ley de Newton: la fuerza neta sobre un cuerpo es igual a su masa por su aceleración, ΣF = m·a. Dibuja un diagrama de cuerpo libre, elige un sentido positivo a lo largo del movimiento y suma todas las fuerzas en esa dirección: las fuerzas aplicadas, el rozamiento μ·N en contra del movimiento y las componentes del peso.

Fuerzas a lo largo del hilo

m₂·g = 88,29 N
m₁·g·sin θ = 3,355 N
μ·m₁·g·cos θ = 1,844 N

Aceleración del sistema

a = (88,29 − 3,355 − 1,844)/10 = 8,309 m/s²

Respuesta

a = 8,309 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: H = 17,17 m

Tiro parabólico: sin resistencia del aire, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². Las dos direcciones son independientes, salvo que comparten el mismo tiempo.

Descompón la velocidad de lanzamiento

La velocidad horizontal se mantiene constante; el movimiento vertical tiene una aceleración constante g = 9,81 m/s² hacia abajo.

vx = v0·cos θ = 32·cos 35° = 26,21 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 35° = 18,35 m/s

Punto más alto

En lo más alto la velocidad vertical es cero: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 18,35²/(2·9,81) = 17,17 m

Respuesta

H = 17,17 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 102,7 m

Tiro parabólico: sin resistencia del aire, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². Las dos direcciones son independientes, salvo que comparten el mismo tiempo.

Descompón la velocidad de lanzamiento

vx = 17,5 m/s, vy = 30,31 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

9 = 30,31·t − 4,905·t²
t = (30,31 + √(30,31² − 2·9,81·9))/9,81 = 5,867 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 17,5·5,867 = 102,7 m

Respuesta

x = 102,7 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 23,44 m/s

Movimiento circular uniforme: un objeto que se mueve con velocidad v en una circunferencia de radio r tiene una aceleración dirigida hacia el centro a = v²/r, así que necesita una fuerza neta hacia el centro F = m·v²/r. Esa fuerza la proporciona algo real: el rozamiento, una tensión, la gravedad o una fuerza normal.

El rozamiento proporciona la fuerza centrípeta

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,7·9,81·80) = 23,44 m/s

Respuesta

vmax = 23,44 m/s (84,38 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: Ntop = 15,7 N

Movimiento circular uniforme: un objeto que se mueve con velocidad v en una circunferencia de radio r tiene una aceleración dirigida hacia el centro a = v²/r, así que necesita una fuerza neta hacia el centro F = m·v²/r. Esa fuerza la proporciona algo real: el rozamiento, una tensión, la gravedad o una fuerza normal.

Velocidad a partir de la conservación de la energía

v² = 2·9,81·(26,65 − 2·6,5) = 267,8 m²/s²

Fuerzas

Hacia el centro es positivo.

N = m·v²/R − m·g = 0,5·267,8/6,5 − 4,905 = 15,7 N

Respuesta

Ntop = 15,7 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: v = 12,02 m/s

Teorema del trabajo y la energía: la variación de energía cinética es igual al trabajo de todas las fuerzas. Escribiendo la gravedad y los muelles como energía potencial (mgh y ½kx²), queda un balance: energía inicial = energía final + energía perdida por rozamiento (μN·d).

Balance de energía a lo largo de la rampa

El bloque baja una altura d·sin θ mientras el rozamiento le quita μmg·cos θ·d. La masa se cancela.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·13·(0,6428 − 0,1·0,766)) = 12,02 m/s

Respuesta

v = 12,02 m/s
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 5,342 m/s

Teorema del trabajo y la energía: la variación de energía cinética es igual al trabajo de todas las fuerzas. Escribiendo la gravedad y los muelles como energía potencial (mgh y ½kx²), queda un balance: energía inicial = energía final + energía perdida por rozamiento (μN·d).

Fuerzas a lo largo de la rampa

m·g = 15·9,81 = 147,2 N
mg·sin θ = 62,19 N
μ·mg·cos θ = 40,01 N

Trabajo y energía

½mv² = (145 − 102,2)·5 = 214 J
v = √(2·214/15) = 5,342 m/s

Respuesta

v = 5,342 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 2,353 m/s

Conservación de la cantidad de movimiento: si no actúa ninguna fuerza externa durante un choque, la cantidad de movimiento total Σm·v antes es igual a la total después. Las velocidades tienen sentido, así que elige un sentido positivo y pon un signo menos a las velocidades en sentido contrario. En un choque elástico también se conserva la energía cinética; en uno perfectamente inelástico los cuerpos quedan unidos.

Choque elástico con un blanco en reposo

Resolver a la vez la conservación de la cantidad de movimiento y la de la energía da estos dos resultados.

v′1 = (5 − 3,5)/(5 + 3,5)·2 = 0,3529 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 3,5)·2 = 2,353 m/s

Respuesta

v′2 = 2,353 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 288 m/s

Conservación de la cantidad de movimiento: si no actúa ninguna fuerza externa durante un choque, la cantidad de movimiento total Σm·v antes es igual a la total después. Las velocidades tienen sentido, así que elige un sentido positivo y pon un signo menos a las velocidades en sentido contrario. En un choque elástico también se conserva la energía cinética; en uno perfectamente inelástico los cuerpos quedan unidos.

Subida del bloque

h = L·(1 − cos θ) = 1,6·(1 − cos 20°) = 0,09649 m

Velocidad tras el impacto

V = √(2·9,81·0,09649) = 1,376 m/s

Choque

v = (m + M)·V/m = 2,512·1,376/0,012 = 288 m/s

Respuesta

v = 288 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 3,997 m/s

Rotación alrededor de un eje fijo: la suma de los momentos respecto al eje es igual a I·α (ΣM = I·α), igual que ΣF = m·a en la traslación. En forma de energía, un par T que gira un ángulo θ (en radianes) realiza un trabajo T·θ, que cambia la energía cinética ½·I·ω²; la gravedad suma o resta m·g·Δh del centro de masa. La potencia es P = T·ω.

Bloque y polea

bloque: m·g − T = m·a
polea: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Aceleración

a = m·g/(m + M/2) = 9,5·9,81/(9,5 + 8) = 5,325 m/s²

Velocidad tras la caída

v = √(2·a·h) = √(2·5,325·1,5) = 3,997 m/s

Respuesta

v = 3,997 m/s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 7,247 m/s

Rodadura y momento angular: un cuerpo que rueda sin deslizar tiene v = ω·r, así que su energía cinética es ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Por una pendiente eso da a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). Cuando no actúa ningún momento externo respecto a un eje, el momento angular respecto a ese eje se mantiene constante, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, aunque se pierda energía cinética.

Altura descendida

h = s·sin θ = 9,5·sin 25° = 4,015 m

Balance de energía con rodadura

Rodadura sin deslizamiento: ω = v/r, y el rozamiento no realiza trabajo en el punto de contacto.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0,5)
v = √(2·9,81·4,015/1,5) = 7,247 m/s

Respuesta

v = 7,247 m/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Ft = 4939 N

Geometría de engranajes: el módulo m fija el tamaño del diente. Una rueda con N dientes tiene un diámetro primitivo d = m·N, dos ruedas que engranan tienen el mismo módulo, y su distancia entre centros es a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. La velocidad en la circunferencia primitiva es v = π·d·n/60, y la fuerza tangencial en el diente se obtiene del par: Ft = 2T/d.

Par en el piñón

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 15000/151,8 = 98,79 N·m

Diámetro primitivo

d = m·N = 2,5·16 = 40 mm

Fuerza tangencial

Ft = 2T/d = 2·98,79/0,04 = 4939 N

Respuesta

Ft = 4939 N
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 174,3 °

Transmisiones por correa: sin deslizamiento, ambas poleas tienen la misma velocidad periférica v = π·d·n/60, así que n₁·d₁ = n₂·d₂ y la relación de velocidades es d₂/d₁. El deslizamiento s hace que la polea conducida gire un poco más despacio: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potencia transmitida es P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensión del ramal tenso y T₂ la del ramal flojo. El rozamiento limita la relación de tensiones: T₁/T₂ = eμθ, donde θ es el ángulo de contacto en radianes sobre la polea menor; para una correa abierta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con distancia entre centros C.

Ángulo de la correa

asin(0,05) = 2,866°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·2,866 = 174,3°

Respuesta

θ = 174,3°
17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 0,897 m

Movimiento armónico simple: una masa m en un muelle de constante elástica k oscila con frecuencia angular ω = √(k/m) y periodo T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Un péndulo simple de longitud L tiene T = 2π·√(L/g). Con amplitud A, la velocidad máxima es A·ω, la aceleración máxima A·ω² y la energía ½·k·A².

Despeja la longitud

L = g·(T/2π)² = 9,81·(1,9/2π)² = 0,897 m

Respuesta

L = 0,897 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: E = 1,944 J

Movimiento armónico simple: una masa m en un muelle de constante elástica k oscila con frecuencia angular ω = √(k/m) y periodo T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Un péndulo simple de longitud L tiene T = 2π·√(L/g). Con amplitud A, la velocidad máxima es A·ω, la aceleración máxima A·ω² y la energía ½·k·A².

Frecuencia angular

ω = √(480/0,6) = 28,28 rad/s

Energía

E = ½·k·A² = ½·480·0,09² = 1,944 J

Respuesta

E = 1,944 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 4,126 Hz

Vibración libre de un sistema masa–muelle: la pulsación natural sin amortiguamiento es ωn = √(k/m) en rad/s, y fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortiguador viscoso c da el factor de amortiguamiento ζ = c/cc, con amortiguamiento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un sistema subamortiguado (ζ < 1) oscila a ωd = ωn·√(1 − ζ²). Los muelles en paralelo se suman, k = k₁ + k₂; los muelles en serie se suman como inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Frecuencia natural sin amortiguamiento

ωn = √(80000/100) = 28,28 rad/s
fn = 28,28/(2π) = 4,502 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,502·√(1 − 0,4²) = 4,126 Hz

Respuesta

fd = 4,126 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 85 kN/m

Vibración libre de un sistema masa–muelle: la pulsación natural sin amortiguamiento es ωn = √(k/m) en rad/s, y fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortiguador viscoso c da el factor de amortiguamiento ζ = c/cc, con amortiguamiento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un sistema subamortiguado (ζ < 1) oscila a ωd = ωn·√(1 − ζ²). Los muelles en paralelo se suman, k = k₁ + k₂; los muelles en serie se suman como inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Rigidez equivalente

Los muelles uno al lado del otro comparten la deformación y suman sus fuerzas, así que sus rigideces simplemente se suman: k = k1 + k2.

keq = 5 + 80 = 85 kN/m

Respuesta

keq = 85 kN/m

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