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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
Anota lo que sabes: v₀, v, a, t y s, con unidades.
Elige la ecuación que contiene tus tres datos conocidos y la incógnita.
Elige un sentido positivo y da signo menos a las magnitudes en sentido contrario.
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
Dibuja un diagrama de cuerpo libre con todas las fuerzas sobre el cuerpo.
Elige un sentido positivo a lo largo del movimiento.
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).
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
Descompón la velocidad de lanzamiento en componentes: vx = v₀·cos θ y vy = v₀·sin θ.
El movimiento horizontal tiene velocidad constante; el vertical tiene aceleración −g.
Halla el tiempo de vuelo a partir del movimiento vertical.
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
Elige un sentido positivo y da a cada velocidad su signo.
Escribe la cantidad de movimiento total antes: Σm·v.
En un choque perfectamente inelástico los cuerpos se mueven juntos después; en uno elástico también se conserva la energía cinética.
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
Elige el eje: un pivote fijo, o el centro de masa para cuerpos que ruedan.
Halla el momento de inercia respecto a ese eje a partir de los resultados estándar, usando I = IG + m·d² para un eje desplazado.
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.
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
Un avión parte del reposo y acelera uniformemente a 1,75 m/s² por una pista. Halla su velocidad v tras recorrer 900 m.
v₀ = 0a = 1,75 m/s²s = 900 m
v = m/s
2.CinemáticaDifícil
Se deja caer una piedra desde el reposo en un pozo. El chapoteo se oye 1,7 s después de soltar la piedra. La velocidad del sonido es 343 m/s; desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la profundidad d del pozo.
ttotal = 1,7 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Leyes de NewtonMedia
Dos masas de 3 kg y 1 kg cuelgan a ambos lados de una polea ligera y sin rozamiento, unidas por un hilo ligero. El sistema se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de las masas.
m1 = 3 kgm2 = 1 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
Se da un empujón a un bloque de modo que empieza a subir por una rampa de 15° con una velocidad de 8 m/s. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué distancia d recorre por la rampa antes de detenerse?
v₀ = 8 m/sθ = 15°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
d = m
5.Tiro parabólicoMedia
Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 50° por encima de la horizontal y cae a 100 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad de lanzamiento v0.
θ = 50°R = 100 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Tiro parabólicoDifícil
Se lanza una pelota a 60° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 25 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.
v0 = 27 m/sθ = 60°h = 25 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
Un coche de 1800 kg pasa por la cima de un cambio de rasante a 16 m/s. La cima es un arco de circunferencia de radio 60 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza normal N de la carretera sobre el coche en la cima.
m = 1800 kgv = 16 m/sr = 60 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Movimiento circularDifícil
Una vagoneta de 2,5 kg se suelta desde el reposo a una altura de 7 m sobre una pista sin rozamiento y recorre un rizo vertical de radio 2 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 = 2,5 kgh = 7 mR = 2 mg = 9,81 m/s²
Ntop = N
9.Trabajo y energíaMedia
Un bloque baja desde el reposo por una rampa inclinada 35° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1. Halla su velocidad v tras deslizar 16 m por la rampa.
θ = 35°μ = 0,1d = 16 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabajo y energíaDifícil
Un muelle de rigidez 1000 N/m situado al pie de una pendiente de 30° se comprime 8 cm contra un bloque de 0,5 kg y se suelta. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la pendiente es 0,2. ¿Qué distancia d recorre el bloque pendiente arriba desde el punto de suelta hasta detenerse? (Desprecia el corto tramo en el que empuja el muelle, es decir, aplica el rozamiento y la gravedad a toda la distancia d.)
Un deslizador de 4 kg que se mueve a 4 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′2 del segundo deslizador después del choque.
m1 = 4 kgm2 = 5 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
En un cruce, un coche de 1200 kg que circula hacia el este a 14 m/s choca con un coche de 1200 kg que circula hacia el norte a 8 m/s. Los coches quedan unidos. Halla la velocidad v′ de los restos justo después del choque.
m1 = 1200 kgv1 = 14 m/s (E)m2 = 1200 kgv2 = 8 m/s (N)
v′ = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
Un volante de inercia con un momento de inercia de 8,5 kg·m² gira a 800 rpm. Un freno aplica un par de rozamiento constante de 170 N·m. ¿Cuánto tiempo t tarda en detenerse?
I = 8,5 kg·m²n = 800 rpmTb = 170 N·m
t = s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
Un cuerpo (cilindro macizo) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 40° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla su velocidad v después de haber rodado 2,5 m a lo largo de la pendiente.
θ = 40°s = 2,5 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
Un motor de 15 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 15 dientes, que engrana con una rueda de 18 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 96 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.
P = 15 kWn1 = 1450 rpmN1 = 15N2 = 18η = 96%
T2 = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
Una correa abierta conecta una polea motriz de 200 mm a 960 rpm con una polea de 315 mm; los centros están separados 600 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,25 y la tensión del ramal tenso no puede superar 1200 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).
Una astronauta en otro planeta comprueba que un péndulo simple de 1 m de longitud tiene un periodo de 4,94 s para oscilaciones pequeñas. Halla la aceleración de la gravedad g en ese planeta.
L = 1 mT = 4,94 s
g = m/s²
18.Muelles y péndulosDifícil
Una masa de 3,8 kg unida a un muelle con k = 220 N/m se separa 20 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.
m = 3,8 kgk = 220 N/mA = 20 cm
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
Una masa de 2 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 2 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 10 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.
m = 2 kgk = 2 kN/mc = 10 N·s/m
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
Una masa de 40 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 80 kN/m y el inferior k₂ = 5 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.
m = 40 kgk1 = 80 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz
3Disoluciones
1.Cinemática
Respuesta: v = 56,12 m/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.
Velocidad tras la distancia
v = √(2·a·s) = √(2·1,75·900) = 56,12 m/s
Respuesta
v = 56,12 m/s
(202 km/h)
2.Cinemática
Respuesta: d = 13,53 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.
Las dos partes del tiempo
½·9,81·t₁² = 343·(1,7 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 583,1 = 0
Tiempo de caída
Solo la raíz positiva tiene sentido físico.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·583,1))/(2·4,905) = 1,661 s
Profundidad
d = ½·9,81·1,661² = 13,53 m
Respuesta
d = 13,53 m
3.Leyes de Newton
Respuesta: a = 4,905 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.
Aceleración
La fuerza motriz neta es la diferencia de los pesos; mueve la masa total.
a = (3 − 1)·9,81/(3 + 1) = 4,905 m/s²
Respuesta
a = 4,905 m/s²
4.Leyes de Newton
Respuesta: d = 7,217 m
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.
Deceleración
Ambas fuerzas apuntan rampa abajo; la masa se simplifica.
a = 9,81·(sin 15° + 0,2·cos 15°) = 4,434 m/s²
Distancia
d = v₀²/(2a) = 8²/(2·4,434) = 7,217 m
Respuesta
d = 7,217 m
5.Tiro parabólico
Respuesta: v0 = 31,56 m/s
Tiro parabólico: sin resistencia del aire, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². Las dos direcciones son independientes, salvo que comparten el mismo tiempo.
Despeja v₀ de la fórmula del alcance
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·100/sin 100°) = 31,56 m/s
Respuesta
v0 = 31,56 m/s
6.Tiro parabólico
Respuesta: x = 76,5 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 = 27·cos 60° = 13,5 m/s
vy = v0·sin θ = 27·sin 60° = 23,38 m/s
Tiempo de vuelo
Resuelve y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 y toma la raíz positiva.
0 = 25 + 23,38·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (23,38 + √(546,7 + 490,5))/9,81 = 5,667 s
Distancia horizontal
x = vx·t = 13,5·5,667 = 76,5 m
Respuesta
x = 76,5 m
7.Movimiento circular
Respuesta: N = 9978 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.
Fuerzas en lo más alto
Hacia el centro (hacia abajo) es positivo.
m·g − N = m·v²/r
N = 1800·9,81 − 1800·16²/60 = 17658 − 7680 = 9978 N
Respuesta
N = 9978 N
El coche parece más ligero: la carretera empuja hacia arriba menos que su peso.
8.Movimiento circular
Respuesta: Ntop = 49,05 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·(7 − 2·2) = 58,86 m²/s²
Fuerzas
Hacia el centro es positivo.
N = m·v²/R − m·g = 2,5·58,86/2 − 24,53 = 49,05 N
Respuesta
Ntop = 49,05 N
9.Trabajo y energía
Respuesta: v = 12,42 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 = √(2·9,81·16·(0,5736 − 0,1·0,8192)) = 12,42 m/s
Respuesta
v = 12,42 m/s
10.Trabajo y energía
Respuesta: d = 0,9691 m
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 del muelle
x = 8 cm = 0,08 m
½kx² = ½·1000·0,08² = 3,2 J
Balance de energía a lo largo de la rampa
m·g = 0,5·9,81 = 4,905 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 3,2/(4,905·(0,5 + 0,2·0,866)) = 0,9691 m
Respuesta
d = 0,9691 m
11.Cantidad de movimiento y choques
Respuesta: v′2 = 3,556 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 = (4 − 5)/(4 + 5)·4 = −0,4444 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 5)·4 = 3,556 m/s
Respuesta
v′2 = 3,556 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques
Respuesta: v′ = 8,062 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.
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.
Velocidad angular
ω = 2π·800/60 = 83,78 rad/s
Deceleración y tiempo
α = Tb/I = 170/8,5 = 20 rad/s²
t = ω/α = 83,78/20 = 4,189 s
Respuesta
t = 4,189 s
14.Rotación del sólido rígido
Respuesta: v = 4,585 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 = 2,5·sin 40° = 1,607 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 = √(2·9,81·1,607/1,5) = 4,585 m/s
Respuesta
v = 4,585 m/s
15.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: T2 = 113,8 N·m
Trenes de engranajes: los engranajes que engranan entre sí tienen la misma velocidad en los dientes, así que n₁·N₁ = n₂·N₂: el engranaje con menos dientes gira más rápido. Los engranajes montados en un mismo eje giran a la misma velocidad. La potencia se transmite (menos las pérdidas), así que el par aumenta cuando la velocidad disminuye: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, y P = T·ω con ω = 2π·n/60.
Par del motor
ω₁ = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/151,8 = 98,79 N·m
Par de salida
T2 = 98,79·18/15·0,96 = 113,8 N·m
Respuesta
T2 = 113,8 N·m
16.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: P = 6,293 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 = 2,95 rad
Tensión del ramal flojo
eμθ = e0,7374 = 2,091, T₂ = 1200/2,091 = 574 N
Potencia
P = (1200 − 574)·10,05 = 6,293 kW
Respuesta
P = 6,293 kW
17.Muelles y péndulos
Respuesta: g = 1,618 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.
Despeja g
g = 4π²·L/T² = 4π²·1/4,94² = 1,618 m/s²
Respuesta
g = 1,618 m/s²
18.Muelles y péndulos
Respuesta: vmax = 1,522 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 = √(220/3,8) = 7,609 rad/s
Velocidad máxima
vmax = A·ω = 0,2·7,609 = 1,522 m/s
Respuesta
vmax = 1,522 m/s
19.Vibraciones mecánicas
Respuesta: ζ = 0,07906
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.
Amortiguamiento crítico
cc = 2·√(k·m) = 2·√(2000·2) = 126,5 N·s/m
Factor de amortiguamiento
ζ = c/cc = 10/126,5 = 0,07906
Respuesta
ζ = 0,07906
ζ < 1, así que el sistema es subamortiguado y oscila mientras se amortigua.
20.Vibraciones mecánicas
Respuesta: fn = 1,726 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
Los muelles en serie soportan la misma fuerza y suman sus deformaciones, así que se combinan como inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.