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)4 s20

Un coche que circula a 72 km/h frena con una deceleración constante de 5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 72 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
t (s)v (m/s)7 s

Un tranvía parte del reposo y acelera a 2,5 m/s² durante 7 s, después circula a velocidad constante durante 5 s y por último frena a 4,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia total s entre las dos paradas.

a1 = 2,5 m/s²t1 = 7 st2 = 5 sa3 = −4,5 m/s²
s = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 40°50 kgF = ?

Se empuja una caja de 50 kg rampa arriba, con una inclinación de 40° respecto a la horizontal, a velocidad constante, mediante una fuerza paralela a la rampa. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza de empuje F.

m = 50 kgθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
F = N
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 9 kg4,5 kgμ = 0,3

Un bloque de 9 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 4,5 kg. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la mesa es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.

m1 = 9 kgm2 = 4,5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 18 m/s70°alcanceH = ?

Se lanza una pelota a 70° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la altura máxima H que alcanza la pelota.

v0 = 18 m/sθ = 70°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 30 mv0​ = 21 m/s35°alcance

Se lanza una pelota a 35° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 30 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 21 m/sθ = 35°h = 30 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimiento circularMedia
L = 1,7 m15°

Una bolita sujeta a un hilo de longitud 1,7 m describe una circunferencia horizontal de modo que el hilo forma un ángulo constante de 15° con la vertical (un péndulo cónico). Usa g = 9,81 m/s². Halla el tiempo T que tarda en dar una vuelta.

L = 1,7 mθ = 15°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Movimiento circularDifícil
θ = 8°hacia el centrovmin​ = ?

Una curva de radio 180 m tiene un peralte de 8°, y el coeficiente de rozamiento estático entre neumáticos y carretera es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad mínima vmin a la que un coche puede tomar la curva sin deslizar hacia abajo por el peralte.

r = 180 mθ = 8°μs = 0,1g = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
0,05 kgk = 1500 N/mh = ?

Un lanzador de juguete tiene un muelle vertical de rigidez 1500 N/m. Se coloca encima una bola de 0,05 kg, se comprime el muelle 5 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 = 0,05 kgk = 1500 N/mx = 5 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 13 mR = 5 mN = ?

Una vagoneta de 5 kg se suelta desde el reposo a una altura de 13 m sobre una pista lisa que conduce a un rizo circular vertical de radio 5 m. Halla la fuerza normal N que ejerce la pista sobre la vagoneta en lo más alto del rizo.

m = 5 kgh = 13 mR = 5 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
3,5 kgv = ?20 gh = 14 cm

Una bala de 20 g se dispara horizontalmente contra un bloque de madera de 3,5 kg que cuelga de hilos ligeros, y se queda incrustada en él. El bloque oscila hacia arriba hasta quedar 14 cm más alto que al principio. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 20 gM = 3,5 kgh = 14 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
23 m/s18 m/s

Una pelota de 0,25 kg golpea una pared a 23 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 18 m/s. El contacto dura 50 ms. Halla el módulo del impulso J que la pared ejerce sobre la pelota.

m = 0,25 kgvin = 23 m/svout = 18 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 2400 rpmP = 32 kW

Un eje transmite 32 kW a 2400 rpm. Halla el par T en el eje.

P = 32 kWn = 2400 rpm
T = N·m
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
d1​ = 120 mmd2​ = 400 mm720 rpmT1​ = 600 NT2​ = 150 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 120 mm a 720 rpm. La tensión es de 600 N en el ramal tenso y de 150 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 120 mmn1 = 720 rpmT1 = 600 NT2 = 150 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 15B = 36C = 15D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (15 dientes) del eje de entrada gira a 2880 rpm y acciona la rueda B (36 dientes). La rueda C (15 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 900 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 2880 rpmA = 15B = 36C = 15nout = 900 rpm
ND =
17.Muelles y péndulosMedia
t (s)x (cm)0,6 s

Una masa de 1,9 kg unida a un muelle con k = 190 N/m se desplaza 5 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su desplazamiento x respecto al equilibrio en t = 0,6 s (con signo).

m = 1,9 kgk = 190 N/mA = 5 cmt = 0,6 s
x = cm
18.Muelles y péndulosDifícil
3,2 kgk = 330 N/mA = 9 cm

Una masa de 3,2 kg unida a un muelle con k = 330 N/m se separa 9 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.

m = 3,2 kgk = 330 N/mA = 9 cm
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 5 kN/mζ = 0,45m = 5 kg

Una masa de 5 kg sobre un muelle con una rigidez de 5 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,45. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 5 kgk = 5 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 100m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 20 kN/m y el inferior k₂ = 100 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 100 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 40 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 = 72/3,6 = 20 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·5) = 40 m

Respuesta

s = 40 m
2.Cinemática

Respuesta: s = 182,8 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.

Velocidad máxima

v = a1·t1 = 2,5·7 = 17,5 m/s

Distancia de cada fase

s1 = ½·2,5·7² = 61,25 m
s2 = 17,5·5 = 87,5 m
s3 = 17,5²/(2·4,5) = 34,03 m

Distancia total

s = 61,25 + 87,5 + 34,03 = 182,8 m

Respuesta

s = 182,8 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: F = 409,2 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 de la rampa

Velocidad constante: las fuerzas se equilibran.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Fuerza de empuje

F = 315,3 + 93,94 = 409,2 N

Respuesta

F = 409,2 N
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 1,308 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 del sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (44,15 − 26,49)/13,5 = 1,308 m/s²

Respuesta

a = 1,308 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: H = 14,58 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 = 18·cos 70° = 6,156 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 70° = 16,91 m/s

Punto más alto

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

H = vy²/(2g) = 16,91²/(2·9,81) = 14,58 m

Respuesta

H = 14,58 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: t = 3,989 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.

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 = 21·cos 35° = 17,2 m/s
vy = v0·sin θ = 21·sin 35° = 12,05 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 30 + 12,05·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12,05 + √(145,1 + 588,6))/9,81 = 3,989 s

Respuesta

t = 3,989 s
7.Movimiento circular

Respuesta: T = 2,571 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.

Radio de la circunferencia

r = L·sin θ = 1,7·sin 15° = 0,44 m

Rapidez

La tensión y la gravedad juntas dan la fuerza hacia el centro: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(0,44·9,81·tan 15°) = 1,075 m/s

Periodo

T = 2π·r/v = 2π·0,44/1,075 = 2,571 s

Respuesta

T = 2,571 s
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 8,402 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.

Equilibrios de fuerzas

El rozamiento apunta pendiente arriba.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

Rapidez

v = √(180·9,81·0,04015/1,004) = 8,402 m/s

Respuesta

vmin = 8,402 m/s
(30,25 km/h)
9.Trabajo y energía

Respuesta: h = 3,823 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 = 5 cm = 0,05 m
½kx² = ½·1500·0,05² = 1,875 J

Altura

m·g = 0,05·9,81 = 0,4905 N
h = ½kx²/(mg) = 1,875/0,4905 = 3,823 m

Respuesta

h = 3,823 m
10.Trabajo y energía

Respuesta: N = 9,81 N

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). En una trayectoria circular la fuerza neta hacia el centro debe ser igual a mv²/r.

Velocidad en lo más alto

v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(13 − 10) = 58,86 m²/s²

Fuerzas en lo más alto

m·g = 5·9,81 = 49,05 N
N = mv²/R − mg = 5·58,86/5 − 49,05 = 9,81 N

Respuesta

N = 9,81 N

La vagoneta completa el rizo justo cuando h = 2,5R; entonces N = 0 en lo más alto.

11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 291,7 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.

Oscilación tras el impacto

V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,14) = 1,657 m/s

Choque

m·v = (m + M)·V → v = (0,02 + 3,5)·1,657/0,02 = 291,7 m/s

Respuesta

v = 291,7 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: J = 10,25 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 = 0,25·(18 + 23) = 10,25 N·s

Respuesta

J = 10,25 N·s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: T = 127,3 N·m

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·2400/60 = 251,3 rad/s

Par

T = P/ω = 32000/251,3 = 127,3 N·m

Respuesta

T = 127,3 N·m
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: P = 2,036 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 = 4,524 m/s

Potencia

P = (600 − 150)·4,524 = 2036 W = 2,036 kW

Respuesta

P = 2,036 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 20

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.

Velocidad del eje intermedio

nB = nC = 2880·15/36 = 1200 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 15·1200/900 = 20

Respuesta

ND = 20
17.Muelles y péndulos

Respuesta: x = 4,801 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 = √(190/1,9) = 10 rad/s
ω·t = 10·0,6 = 6 rad

Desplazamiento

x = A·cos(ω·t) = 5·cos(6) = 4,801 cm

Respuesta

x = 4,801 cm
18.Muelles y péndulos

Respuesta: vmax = 0,914 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 = √(330/3,2) = 10,16 rad/s

Velocidad máxima

vmax = A·ω = 0,09·10,16 = 0,914 m/s

Respuesta

vmax = 0,914 m/s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 4,495 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 = √(5000/5) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,033·√(1 − 0,45²) = 4,495 Hz

Respuesta

fd = 4,495 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 4,594 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.

1/keq = 1/20 + 1/100 → keq = 20·100/(20 + 100) = 16,67 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(16667/20) = 28,87 rad/s
fn = 28,87/(2π) = 4,594 Hz

Respuesta

fn = 4,594 Hz

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