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)5 s30

Un coche que circula a 108 km/h frena con una deceleración constante de 6 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 108 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
d = ?

Se deja caer una piedra desde el reposo en un pozo. El chapoteo se oye 2,5 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 = 2,5 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Leyes de NewtonMedia
cajav₀ = 9,5 m/sμ = ?

Una caja desliza por un suelo horizontal con una velocidad inicial de 9,5 m/s y se detiene tras 31 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla el coeficiente de rozamiento dinámico μ.

v₀ = 9,5 m/sd = 31 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leyes de NewtonDifícil
θ = 30°bloquev₀ = 10,5 m/s

Se da un empujón a un bloque de modo que empieza a subir por una rampa de 30° con una velocidad de 10,5 m/s. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,15. Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué distancia d recorre por la rampa antes de detenerse?

v₀ = 10,5 m/sθ = 30°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
d = m
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = ?25°R = 15 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 25° por encima de la horizontal y cae a 15 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad de lanzamiento v0.

θ = 25°R = 15 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 5 mv0​ = 32 m/s60°x = ?

Se lanza una pelota a 60° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 5 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 32 m/sθ = 60°h = 5 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 115 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 115 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 = 115 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,5 m7,5 m/svtop​ = ?

Una bola de 1,4 kg sujeta a un hilo ligero de 0,5 m de longitud se hace girar en una circunferencia vertical. En el punto más bajo su velocidad es 7,5 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 = 1,4 kgr = 0,5 mvbottom = 7,5 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Trabajo y energíaMedia
0,25 kgk = 1500 N/mh = ?

Un lanzador de juguete tiene un muelle vertical de rigidez 1500 N/m. Se coloca encima una bola de 0,25 kg, se comprime el muelle 4 cm y se suelta. Despreciando la resistencia del aire y la masa del muelle, halla la altura h que sube la bola, medida desde su posición con el muelle comprimido.

m = 0,25 kgk = 1500 N/mx = 4 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Trabajo y energíaDifícil
2 kg1 kgμ = 0,15d = 0,5 m

Un bloque de 2 kg descansa sobre una mesa horizontal rugosa (μ = 0,15). Un hilo ligero va desde él, pasando por una polea lisa en el borde de la mesa, hasta un bloque colgante de 1 kg. El sistema se suelta desde el reposo. Halla la velocidad v de los bloques cuando el bloque colgante ha bajado 0,5 m.

m1 = 2 kgm2 = 1 kgμ = 0,15d = 0,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
2 kg58 m/s2 kgv′2​ = ?

Un proyectil de 4 kg que se mueve horizontalmente a 35 m/s explota en dos fragmentos que se mueven a lo largo de la misma recta. El fragmento de 2 kg sigue hacia delante a 58 m/s. Halla la velocidad v′2 del fragmento de 2 kg (positiva en el sentido original).

M = 4 kgu = 35 m/sm1 = 2 kgv′1 = 58 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
2000 kg8 m/s1700 kg24 m/sv′ = ?

En un cruce, un coche de 2000 kg que circula hacia el este a 8 m/s choca con un coche de 1700 kg que circula hacia el norte a 24 m/s. Los coches quedan unidos. Halla la velocidad v′ de los restos justo después del choque.

m1 = 2000 kgv1 = 8 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 24 m/s (N)
v′ = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
14 kgaαM = 9,5 kgR = 0,15 m

Un bloque de 14 kg cuelga de una cuerda ligera enrollada en una polea, un disco macizo uniforme de masa 9,5 kg y radio 0,15 m que gira sobre un eje horizontal sin rozamiento. El bloque se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T en la cuerda.

m = 14 kgM = 9,5 kgR = 0,15 mg = 9,81 m/s²
T = N
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
180 m/s45 g1,65 mL = 2 m5,5 kg

Una barra esbelta uniforme de masa 5,5 kg y longitud 2 m cuelga en reposo de un pivote sin rozamiento en su extremo superior. Una bala de 45 g que se mueve horizontalmente a 180 m/s golpea la barra 1,65 m por debajo del pivote y queda incrustada. Halla la velocidad angular ω de la barra justo después del impacto.

M = 5,5 kgL = 2 mm = 45 gv = 180 m/sd = 1,65 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm2880 rpmT1​ = 800 NT2​ = 160 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 100 mm a 2880 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 = 100 mmn1 = 2880 rpmT1 = 800 NT2 = 160 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 40C = 32D = 48

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (16 dientes), en el eje de entrada que gira a 960 rpm, acciona el engranaje B (40 dientes). El engranaje C (32 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (48 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 960 rpmA = 16B = 40C = 32D = 48
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
t (s)x (cm)0,8 s

Una masa de 0,7 kg unida a un muelle con k = 200 N/m se desplaza 10 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su desplazamiento x respecto al equilibrio en t = 0,8 s (con signo).

m = 0,7 kgk = 200 N/mA = 10 cmt = 0,8 s
x = cm
18.Muelles y péndulosDifícil
0,7 kgk = 70 N/mA = 18 cm

Una masa de 0,7 kg unida a un muelle con k = 70 N/m se separa 18 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.

m = 0,7 kgk = 70 N/mA = 18 cm
amax = m/s²
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 80 kN/mζ = 0,4m = 150 kg

Una masa de 150 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 = 150 kgk = 80 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 10k3​ = 10m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga del muelle k₃ = 10 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 15 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 = 40 kgk1 = 15 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 10 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 75 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/(2·6) = 75 m

Respuesta

s = 75 m
2.Cinemática

Respuesta: d = 28,64 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·(2,5 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 857,5 = 0

Tiempo de caída

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·857,5))/(2·4,905) = 2,416 s

Profundidad

d = ½·9,81·2,416² = 28,64 m

Respuesta

d = 28,64 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: μ = 0,1484

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

a = v₀²/(2d) = 9,5²/(2·31) = 1,456 m/s²

Coeficiente de rozamiento

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,456/9,81 = 0,1484

Respuesta

μ = 0,1484
4.Leyes de Newton

Respuesta: d = 8,921 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 30° + 0,15·cos 30°) = 6,179 m/s²

Distancia

d = v₀²/(2a) = 10,5²/(2·6,179) = 8,921 m

Respuesta

d = 8,921 m
5.Tiro parabólico

Respuesta: v0 = 13,86 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) = √(9,81·15/sin 50°) = 13,86 m/s

Respuesta

v0 = 13,86 m/s
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 93,2 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 60° = 16 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 60° = 27,71 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 5 + 27,71·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (27,71 + √(768 + 98,1))/9,81 = 5,825 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 16·5,825 = 93,2 m

Respuesta

x = 93,2 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 28,1 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) = √(0,7·9,81·115) = 28,1 m/s

Respuesta

vmax = 28,1 m/s (101,2 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: Ttop = 88,83 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 = 7,5² − 4·9,81·0,5 = 36,63 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 = 1,4·36,63/0,5 − 1,4·9,81 = 88,83 N

Respuesta

Ttop = 88,83 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: h = 0,4893 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 = 4 cm = 0,04 m
½kx² = ½·1500·0,04² = 1,2 J

Altura

m·g = 0,25·9,81 = 2,453 N
h = ½kx²/(mg) = 1,2/2,453 = 0,4893 m

Respuesta

h = 0,4893 m
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 1,513 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 = 9,81·0,5 = 4,905 J
μ·m₁g·d = 0,15·19,62·0,5 = 1,472 J

Energía cinética de ambos bloques

½(m₁ + m₂)v² = 3,434 → v = √(2·3,434/3) = 1,513 m/s

Respuesta

v = 1,513 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 12 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 = 4·35 = 140 kg·m/s

Cantidad de movimiento después

140 = 2·58 + 2·v′2
v′2 = (140 − 116)/2 = 12 m/s

Respuesta

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

Respuesta: v′ = 11,84 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.

Componentes de la cantidad de movimiento

px = 2000·8 = 16000 kg·m/s
py = 1700·24 = 40800 kg·m/s

Velocidad de los restos

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 43825/3700 = 11,84 m/s

Respuesta

v′ = 11,84 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: T = 34,79 N

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 + 4,75) = 7,325 m/s²

Tensión

T = m·(g − a) = 14·(9,81 − 7,325) = 34,79 N

Respuesta

T = 34,79 N
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 1,793 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.

Momento de inercia después del impacto

I = M·L²/3 + m·d² = 5,5·2²/3 + 0,045·1,65² = 7,456 kg·m²

Momento angular respecto al pivote

La fuerza del pivote pasa por el pivote, así que no tiene momento allí durante el impacto.

m·v·d = I·ω → ω = 0,045·180·1,65/7,456 = 1,793 rad/s

Respuesta

ω = 1,793 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 9,651 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 = 15,08 m/s

Potencia

P = (800 − 160)·15,08 = 9651 W = 9,651 kW

Respuesta

P = 9,651 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 256 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 = 960·16/40 = 384 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 384·32/48 = 256 rpm

Respuesta

nout = 256 rpm

relación total = 3,75 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: x = 5,767 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 = √(200/0,7) = 16,9 rad/s
ω·t = 16,9·0,8 = 13,52 rad

Desplazamiento

x = A·cos(ω·t) = 10·cos(13,52) = 5,767 cm

Respuesta

x = 5,767 cm
18.Muelles y péndulos

Respuesta: amax = 18 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 = √(70/0,7) = 10 rad/s

Aceleración máxima

amax = A·ω² = 0,18·10² = 18 m/s²

Respuesta

amax = 18 m/s²
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 3,369 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 = √(80000/150) = 23,09 rad/s
fn = 23,09/(2π) = 3,676 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,676·√(1 − 0,4²) = 3,369 Hz

Respuesta

fd = 3,369 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,127 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 = 15 + 10 = 25 kN/m
keq = 25·10/(25 + 10) = 7,143 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(7143/40) = 13,36 rad/s
fn = 13,36/(2π) = 2,127 Hz

Respuesta

fn = 2,127 Hz

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