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)2,778 s12,5

Un coche que circula a 45 km/h frena con una deceleración constante de 4,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 45 km/ha = −4,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 18 m/s5 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 18 m/s desde el borde de un tejado situado a 5 m sobre el suelo. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la altura máxima hmax sobre el suelo.

v₀ = 18 m/sh₀ = 5 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 35°a = ?m = 13 kg

Un bloque de 13 kg baja deslizando por una rampa inclinada 35° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,15. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 13 kgθ = 35°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 5,5 kg9,5 kgθ = 35°

Un bloque de 5,5 kg sobre una rampa de 35° está unido mediante un hilo ligero, que pasa por una polea sin rozamiento en lo alto de la rampa, a una masa colgante de 9,5 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 tensión T de la cuerda.

m1 = 5,5 kgm2 = 9,5 kgθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
21 my = ?v0​ = 32 m/s45°

Se chuta una pelota desde un terreno horizontal a 32 m/s y 45° por encima de la horizontal hacia una pared situada a 21 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura y pasa la pelota por la pared?

v₀ = 32 m/sθ = 45°x = 21 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Tiro parabólicoDifícil
6 mv0​ = 29 m/s60°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 29 m/s y 60° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 6 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 = 29 m/sθ = 60°hroof = 6 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 140 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 140 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,6. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 140 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,8 mv = ?

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola atada a una cuerda de 0,8 m. Usa g = 9,81 m/s². ¿Cuál es la velocidad mínima vmin en el punto más alto para que la cuerda siga justo tensa?

r = 0,8 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
40°d = 4 mμ = 0,3

Un bloque baja desde el reposo por una rampa inclinada 40° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3. Halla su velocidad v tras deslizar 4 m por la rampa.

θ = 40°μ = 0,3d = 4 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 3 mL = 3 mμ = 0,25k = 2000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 2,5 kg a una altura de 3 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 3 m (μ = 0,25) y después choca contra un muelle (k = 2000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 2,5 kgh = 3 mL = 3 mμ = 0,25k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
2 kg2 m/s5 kg

Un deslizador de 2 kg que se mueve a 2 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 5 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′1 del primer deslizador después del choque (positiva en su sentido inicial).

m1 = 2 kgm2 = 5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1800 kg21 m/s1700 kg15 m/sθ = ?

En un cruce, un coche de 1800 kg que circula hacia el este a 21 m/s choca con un coche de 1700 kg que circula hacia el norte a 15 m/s. Los coches quedan unidos. Halla la dirección θ de los restos justo después del choque, medida desde el este hacia el norte.

m1 = 1800 kgv1 = 21 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 15 m/s (N)
θ = °
13.Rotación del sólido rígidoMedia
14 kgaαM = 19,5 kgR = 0,1 m

Un bloque de 14 kg cuelga de una cuerda ligera enrollada en una polea, un disco macizo uniforme de masa 19,5 kg y radio 0,1 m que gira sobre un eje horizontal sin rozamiento. El bloque se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque.

m = 14 kgM = 19,5 kgR = 0,1 mg = 9,81 m/s²
a = m/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 20°vs = 9,5 m

Un cuerpo (esfera hueca) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 20° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Su radio es 0,05 m. Halla su velocidad angular ω después de haber rodado 9,5 m a lo largo de la pendiente.

θ = 20°s = 9,5 mI = (2/3)·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,05 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = ?N2​

Dos ejes paralelos están a 270 mm de distancia. Deben unirse mediante un par de ruedas dentadas rectas de módulo 5 mm y una reducción de velocidad de 3,5 : 1. ¿Cuántos dientes N1 debe tener el piñón?

a = 270 mmm = 5 mmi = 3,5
N1 =
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 450 mm1440 rpmC = 1200 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 150 mm a 1440 rpm con una polea de 450 mm; los centros están separados 1200 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,25 y la tensión del ramal tenso no puede superar 1500 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 150 mmn1 = 1440 rpmd2 = 450 mmC = 1200 mmμ = 0,25T1 = 1500 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
t (s)x (cm)0,35 s

Una masa de 0,3 kg unida a un muelle con k = 90 N/m se desplaza 12 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su velocidad v en t = 0,35 s (con signo).

m = 0,3 kgk = 90 N/mA = 12 cmt = 0,35 s
v = m/s
18.Muelles y péndulosDifícil
0,7 kgk = 80 N/mA = 11 cm

Una masa de 0,7 kg unida a un muelle con k = 80 N/m se separa 11 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.

m = 0,7 kgk = 80 N/mA = 11 cm
amax = m/s²
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx20 mm2 ciclos13,7 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 20 mm le sigue 2 ciclos después un pico de 13,7 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 20 mmx2 = 13,7 mmn = 2
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 10k3​ = 20m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga del muelle k₃ = 20 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 12 kN/m y k₂ = 10 kN/m; la barra se mantiene horizontal. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles y de la barra. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 5 kgk1 = 12 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 17,36 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 = 45/3,6 = 12,5 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·4,5) = 17,36 m

Respuesta

s = 17,36 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 21,51 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.

Subida por encima del tejado

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 18²/(2·9,81) = 16,51 m

Altura sobre el suelo

hmax = 5 + 16,51 = 21,51 m

Respuesta

hmax = 21,51 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 4,421 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 de la rampa

Rampa abajo es positivo.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Aceleración

a = 9,81·(sin 35° − 0,15·cos 35°) = 9,81·(0,5736 − 0,1229) = 4,421 m/s²

Respuesta

a = 4,421 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 59,37 N

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 = 93,2 N
m₁·g·sin θ = 30,95 N
μ·m₁·g·cos θ = 8,839 N

Aceleración del sistema

a = (93,2 − 30,95 − 8,839)/15 = 3,561 m/s²

Tensión a partir de la masa colgante

m2·g − T = m2·a → T = 9,5·(9,81 − 3,561) = 59,37 N

Respuesta

T = 59,37 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: y = 16,78 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.

Tiempo hasta la pared

vx = 32·cos 45° = 22,63 m/s
t = x/vx = 21/22,63 = 0,9281 s

Altura en ese instante

y = 22,63·0,9281 − ½·9,81·0,9281² = 16,78 m

Respuesta

y = 16,78 m

En la pared la pelota todavía está subiendo.

6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 70,6 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 = 14,5 m/s, vy = 25,11 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

6 = 25,11·t − 4,905·t²
t = (25,11 + √(25,11² − 2·9,81·6))/9,81 = 4,869 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 14,5·4,869 = 70,6 m

Respuesta

x = 70,6 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 28,71 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) = √(0,6·9,81·140) = 28,71 m/s

Respuesta

vmax = 28,71 m/s (103,3 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 2,801 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.

Tensión nula en el punto más alto

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·0,8) = 2,801 m/s

Respuesta

vmin = 2,801 m/s
9.Trabajo y energía

Respuesta: v = 5,693 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 = √(2·9,81·4·(0,6428 − 0,3·0,766)) = 5,693 m/s

Respuesta

v = 5,693 m/s
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 23,49 cm

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).

Energía tras la franja rugosa

La rampa es lisa, así que solo la franja quita energía.

mgh − μmgL = 24,53·(3 − 0,25·3) = 55,18 J

Compresión máxima

½kx² = 55,18 → x = √(2·55,18/2000) = 0,2349 m = 23,49 cm

Respuesta

x = 23,49 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = −0,8571 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 = (2 − 5)/(2 + 5)·2 = −0,8571 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 5)·2 = 1,143 m/s

Respuesta

v′1 = −0,8571 m/s

El signo menos significa que el primer deslizador rebota hacia atrás.

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: θ = 34 °

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.

Componentes de la cantidad de movimiento

px = 1800·21 = 37800 kg·m/s
py = 1700·15 = 25500 kg·m/s

Dirección

tan θ = py/px = 0,6746 → θ = 34°

Respuesta

θ = 34°
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: a = 5,783 m/s²

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) = 14·9,81/(14 + 9,75) = 5,783 m/s²

Respuesta

a = 5,783 m/s²
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 123,7 rad/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 20° = 3,249 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 + 0,6667)
v = √(2·9,81·3,249/1,667) = 6,185 m/s
ω = v/r = 6,185/0,05 = 123,7 rad/s

Respuesta

ω = 123,7 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: N1 = 24

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.

Número total de dientes

N1 + N2 = 2a/m = 2·270/5 = 108

Reparte según la relación

N1 = 108/(1 + 3,5) = 24

Respuesta

N1 = 24
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 8,73 kW

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 contacto

θ = 2,891 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,7227 = 2,06, T₂ = 1500/2,06 = 728,1 N

Potencia

P = (1500 − 728,1)·11,31 = 8,73 kW

Respuesta

P = 8,73 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: v = 0,4556 m/s

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 = √(90/0,3) = 17,32 rad/s
ω·t = 17,32·0,35 = 6,062 rad

Velocidad

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0,12·17,32·sin(6,062) = 0,4556 m/s

Respuesta

v = 0,4556 m/s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: amax = 12,57 m/s²

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 = √(80/0,7) = 10,69 rad/s

Aceleración máxima

amax = A·ω² = 0,11·10,69² = 12,57 m/s²

Respuesta

amax = 12,57 m/s²
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,03009

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.

Decremento logarítmico

δ = (1/2)·ln(20/13,7) = 0,1892

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1892/√(39,48 + 0,03578) = 0,03009

Respuesta

ζ = 0,03009
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 7,285 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.

Rigidez equivalente

Solo k1 y k2 están en paralelo. Ese par está en serie con k3, así que combínalos como inversos.

k12 = 12 + 10 = 22 kN/m
keq = 22·20/(22 + 20) = 10,48 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(10476/5) = 45,77 rad/s
fn = 45,77/(2π) = 7,285 Hz

Respuesta

fn = 7,285 Hz

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