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
a = 3,75 m/s²s = 1800 m

Un avión parte del reposo y acelera uniformemente a 3,75 m/s² por una pista. Halla su velocidad v tras recorrer 1800 m.

v₀ = 0a = 3,75 m/s²s = 1800 m
v = m/s
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 5 m/s10 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 5 m/s desde el borde de un tejado situado a 10 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 = 5 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 20°a = ?m = 5 kg

Un bloque de 5 kg baja deslizando por una rampa inclinada 20° 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 = 5 kgθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 7 kg5 kgμ = 0,1

Un bloque de 7 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 5 kg. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la mesa es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 7 kgm2 = 5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 28 m/s20°alcanceH = ?

Se lanza una pelota a 20° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la altura máxima H que alcanza la pelota.

v0 = 28 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 25 mv0​ = 26 m/s35°x = ?

Se lanza una pelota a 35° 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 = 26 m/sθ = 35°h = 25 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
θ = 10°hacia el centrov = ?

Una curva de radio 220 m tiene un peralte de 10°. ¿A qué velocidad v puede tomarla un coche sin necesitar ningún rozamiento? Usa g = 9,81 m/s².

r = 220 mθ = 10°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 1 m8,5 m/svtop​ = ?

Una bola de 1,8 kg sujeta a un hilo ligero de 1 m de longitud se hace girar en una circunferencia vertical. En el punto más bajo su velocidad es 8,5 m/s. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión Ttop del hilo en el punto más alto.

m = 1,8 kgr = 1 mvbottom = 8,5 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Trabajo y energíaMedia
30°d = 9 mμ = 0,25

Un bloque de 4 kg desliza 9 m por una rampa inclinada 30° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,25. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 4 kgθ = 30°μ = 0,25d = 9 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
5 kg5 kgμ = 0,25d = 2 m

Un bloque de 5 kg descansa sobre una mesa horizontal rugosa (μ = 0,25). Un hilo ligero va desde él, pasando por una polea lisa en el borde de la mesa, hasta un bloque colgante de 5 kg. El sistema se suelta desde el reposo. Halla la velocidad v de los bloques cuando el bloque colgante ha bajado 2 m.

m1 = 5 kgm2 = 5 kgμ = 0,25d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
5 kg61 m/s9 kgv′2​ = ?

Un proyectil de 14 kg que se mueve horizontalmente a 18 m/s explota en dos fragmentos que se mueven a lo largo de la misma recta. El fragmento de 5 kg sigue hacia delante a 61 m/s. Halla la velocidad v′2 del fragmento de 9 kg (positiva en el sentido original).

M = 14 kgu = 18 m/sm1 = 5 kgv′1 = 61 m/sm2 = 9 kg
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
19 m/s13 m/s

Una pelota de 0,2 kg golpea una pared a 19 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 13 m/s. El contacto dura 50 ms. Halla el módulo del impulso J que la pared ejerce sobre la pelota.

m = 0,2 kgvin = 19 m/svout = 13 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 2700 rpmTb​ = 80 N·mI = 18,5 kg·m²

Un volante de inercia con un momento de inercia de 18,5 kg·m² gira a 2700 rpm. Un freno aplica un par de rozamiento constante de 80 N·m. ¿Cuánto tiempo t tarda en detenerse?

I = 18,5 kg·m²n = 2700 rpmTb = 80 N·m
t = s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 30°vs = 4,5 m

Un cuerpo (aro delgado) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 30° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla su velocidad v después de haber rodado 4,5 m a lo largo de la pendiente.

θ = 30°s = 4,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 80 mmd2​ = 315 mm1500 rpmT1​ = 800 NT2​ = 160 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 80 mm a 1500 rpm. La tensión es de 800 N en el ramal tenso y de 160 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmT1 = 800 NT2 = 160 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 50C = 15D = 20

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (16 dientes), en el eje de entrada que gira a 1450 rpm, acciona el engranaje B (50 dientes). El engranaje C (15 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (20 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1450 rpmA = 16B = 50C = 15D = 20
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
t (s)x (cm)0,45 s

Una masa de 0,6 kg unida a un muelle con k = 120 N/m se desplaza 14 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su desplazamiento x respecto al equilibrio en t = 0,45 s (con signo).

m = 0,6 kgk = 120 N/mA = 14 cmt = 0,45 s
x = cm
18.Muelles y péndulosDifícil
1,9 kgk = 260 N/mA = 7 cm

Una masa de 1,9 kg unida a un muelle con k = 260 N/m se separa 7 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.

m = 1,9 kgk = 260 N/mA = 7 cm
amax = m/s²
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx15 mm2 ciclos4,2 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 15 mm le sigue 2 ciclos después un pico de 4,2 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 15 mmx2 = 4,2 mmn = 2
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 80m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 100 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 = 25 kgk1 = 100 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: v = 116,2 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) = √(2·3,75·1800) = 116,2 m/s

Respuesta

v = 116,2 m/s
(418,3 km/h)
2.Cinemática

Respuesta: t = 2,026 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.

−10 = 5·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 5·t − 10 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (5 + √(5² + 2·9,81·10))/9,81 = 2,026 s

Respuesta

t = 2,026 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 1,972 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 20° − 0,15·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,141) = 1,972 m/s²

Respuesta

a = 1,972 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 31,47 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.

Aceleración del sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (49,05 − 6,867)/12 = 3,515 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 7·3,515 + 6,867 = 31,47 N

Respuesta

T = 31,47 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: H = 4,674 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 = 28·cos 20° = 26,31 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 20° = 9,577 m/s

Punto más alto

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

H = vy²/(2g) = 9,577²/(2·9,81) = 4,674 m

Respuesta

H = 4,674 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 90,34 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 = 26·cos 35° = 21,3 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 35° = 14,91 m/s

Tiempo de vuelo

Resuelve y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 y toma la raíz positiva.

0 = 25 + 14,91·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (14,91 + √(222,4 + 490,5))/9,81 = 4,242 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 21,3·4,242 = 90,34 m

Respuesta

x = 90,34 m
7.Movimiento circular

Respuesta: v = 19,51 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.

Equilibrio de fuerzas

N·cos θ = m·g, N·sin θ = m·v²/r → tan θ = v²/(r·g)

Rapidez

v = √(r·g·tan θ) = √(220·9,81·tan 10°) = 19,51 m/s

Respuesta

v = 19,51 m/s
(70,23 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: Ttop = 41,76 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 en lo más alto

La energía cinética se transforma en energía potencial a lo largo de una altura 2r.

vtop² = 8,5² − 4·9,81·1 = 33,01 m²/s²

Fuerzas en lo más alto

La tensión y la gravedad apuntan ambas hacia abajo, hacia el centro.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1,8·33,01/1 − 1,8·9,81 = 41,76 N

Respuesta

Ttop = 41,76 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 76,46 J

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).

Fuerza de rozamiento

N = mg·cos θ = 39,24·0,866 = 33,98 N
F = μN = 0,25·33,98 = 8,496 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 8,496·9 = 76,46 J

Respuesta

Wf = 76,46 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 3,836 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).

Energía liberada y perdida

m₂g·d = 49,05·2 = 98,1 J
μ·m₁g·d = 0,25·49,05·2 = 24,53 J

Energía cinética de ambos bloques

½(m₁ + m₂)v² = 73,58 → v = √(2·73,58/10) = 3,836 m/s

Respuesta

v = 3,836 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = −5,889 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.

Cantidad de movimiento antes

p = M·u = 14·18 = 252 kg·m/s

Cantidad de movimiento después

252 = 5·61 + 9·v′2
v′2 = (252 − 305)/9 = −5,889 m/s

Respuesta

v′2 = −5,889 m/s

El signo menos significa que el segundo fragmento sale despedido hacia atrás.

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: J = 6,4 N·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.

Variación de la cantidad de movimiento

J = m·Δv = 0,2·(13 + 19) = 6,4 N·s

Respuesta

J = 6,4 N·s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: t = 65,38 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.

Velocidad angular

ω = 2π·2700/60 = 282,7 rad/s

Deceleración y tiempo

α = Tb/I = 80/18,5 = 4,324 rad/s²
t = ω/α = 282,7/4,324 = 65,38 s

Respuesta

t = 65,38 s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 4,698 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 = 4,5·sin 30° = 2,25 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 + 1)
v = √(2·9,81·2,25/2) = 4,698 m/s

Respuesta

v = 4,698 m/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 4,021 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.

Velocidad de la correa

v = 6,283 m/s

Potencia

P = (800 − 160)·6,283 = 4021 W = 4,021 kW

Respuesta

P = 4,021 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 348 rpm

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.

Primera etapa

nB = 1450·16/50 = 464 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 464·15/20 = 348 rpm

Respuesta

nout = 348 rpm

relación total = 4,167 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: x = 13,95 cm

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 = √(120/0,6) = 14,14 rad/s
ω·t = 14,14·0,45 = 6,364 rad

Desplazamiento

x = A·cos(ω·t) = 14·cos(6,364) = 13,95 cm

Respuesta

x = 13,95 cm
18.Muelles y péndulos

Respuesta: amax = 9,579 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 = √(260/1,9) = 11,7 rad/s

Aceleración máxima

amax = A·ω² = 0,07·11,7² = 9,579 m/s²

Respuesta

amax = 9,579 m/s²
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1008

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(15/4,2) = 0,6365

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6365/√(39,48 + 0,4051) = 0,1008

Respuesta

ζ = 0,1008
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 180 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 = 100 + 80 = 180 kN/m

Respuesta

keq = 180 kN/m

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