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)0,5 s12,5

Una conductora que circula a 45 km/h ve un obstáculo. Su tiempo de reacción es 0,5 s, tras el cual el coche frena con una deceleración constante de 6,5 m/s². Halla la distancia total de detención d desde el momento en que ve el obstáculo.

v₀ = 45 km/htr = 0,5 sa = −6,5 m/s²
d = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 14 m/s5 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 14 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 = 14 m/sh₀ = 5 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
35 kg30°F = 180 Nμ = 0,3

Se arrastra un trineo de 35 kg por nieve horizontal con una cuerda a 30° por encima de la horizontal y una fuerza de 180 N. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del trineo.

m = 35 kgF = 180 Nθ = 30°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 6,5 kg3 kgμ = 0,3

Un bloque de 6,5 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 3 kg. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la mesa es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 6,5 kgm2 = 3 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 12 m/s30°alcanceH = ?

Se lanza una pelota a 30° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la altura máxima H que alcanza la pelota.

v0 = 12 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 55 mv0​ = 26 m/s25°alcance

Se lanza una pelota a 25° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 55 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 26 m/sθ = 25°h = 55 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimiento circularMedia
L = 2 m60°

Una bolita sujeta a un hilo de longitud 2 m describe una circunferencia horizontal de modo que el hilo forma un ángulo constante de 60° con la vertical (un péndulo cónico). Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bola.

L = 2 mθ = 60°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 1,1 m10 m/svtop​ = ?

Una bola de 1,5 kg sujeta a un hilo ligero de 1,1 m de longitud se hace girar en una circunferencia vertical. En el punto más bajo su velocidad es 10 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 = 1,5 kgr = 1,1 mvbottom = 10 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Trabajo y energíaMedia
80 km/h

Un coche que circula a 80 km/h por una carretera horizontal frena bruscamente y derrapa hasta detenerse con las ruedas bloqueadas. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,4. Halla la distancia de frenado d.

v = 80 km/hμ = 0,4g = 9,81 m/s²
d = m
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 8,8 mR = 2,5 mN = ?

Una vagoneta de 2 kg se suelta desde el reposo a una altura de 8,8 m sobre una pista lisa que conduce a un rizo circular vertical de radio 2,5 m. Halla la fuerza normal N que ejerce la pista sobre la vagoneta en lo más alto del rizo.

m = 2 kgh = 8,8 mR = 2,5 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
1,5 kgv = ?20 gh = 23 cm

Una bala de 20 g se dispara horizontalmente contra un bloque de madera de 1,5 kg que cuelga de hilos ligeros, y se queda incrustada en él. El bloque oscila hacia arriba hasta quedar 23 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 = 1,5 kgh = 23 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
10 m/s5 m/s

Una pelota de 0,45 kg golpea una pared a 10 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 5 m/s. El contacto dura 40 ms. Halla el módulo del impulso J que la pared ejerce sobre la pelota.

m = 0,45 kgvin = 10 m/svout = 5 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 1,3 mm = 6,5 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 6,5 kg y longitud 1,3 m está articulada por un extremo y se mantiene horizontal. Se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla su aceleración angular α justo después de soltarla.

m = 6,5 kgL = 1,3 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 20°vs = 10 m

Un cuerpo (esfera maciza) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 20° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla su velocidad v después de haber rodado 10 m a lo largo de la pendiente.

θ = 20°s = 10 mI = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm960 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 450 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 160 mm a 960 rpm. La tensión es de 1500 N en el ramal tenso y de 450 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 160 mmn1 = 960 rpmT1 = 1500 NT2 = 450 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 40B = 80C = 16D = 40

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (40 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (80 dientes). El engranaje C (16 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (40 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 2900 rpmA = 40B = 80C = 16D = 40
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

¿Qué longitud debe tener un péndulo simple para que su periodo sea de 2 s? Usa g = 9,81 m/s². Halla L.

T = 2 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
0,3 kgk = 380 N/m

Una masa de 0,3 kg se une al extremo inferior de un muelle vertical sin estirar con k = 380 N/m y se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax de la masa.

m = 0,3 kgk = 380 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx40 mm1 ciclo15,4 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 40 mm le sigue un ciclo después un pico de 15,4 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 40 mmx1 = 15,4 mmn = 1
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 60m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 40 kN/m y k₂ = 60 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 100 kgk1 = 40 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 18,27 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 reacción

d1 = v₀·tr = 12,5·0,5 = 6,25 m

Distancia de frenado

d2 = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·6,5) = 12,02 m

Total

d = 6,25 + 12,02 = 18,27 m

Respuesta

d = 18,27 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 14,99 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 = 14²/(2·9,81) = 9,99 m

Altura sobre el suelo

hmax = 5 + 9,99 = 14,99 m

Respuesta

hmax = 14,99 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 2,282 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.

Fuerza normal

N = m·g − F·sin θ = 343,4 − 180·sin 30° = 253,4 N

Fuerzas horizontales

m·a = F·cos θ − μ·N = 155,9 − 76,01
a = 79,88/35 = 2,282 m/s²

Respuesta

a = 2,282 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 26,18 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) = (29,43 − 19,13)/9,5 = 1,084 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 6,5·1,084 + 19,13 = 26,18 N

Respuesta

T = 26,18 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: H = 1,835 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 = 12·cos 30° = 10,39 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 30° = 6 m/s

Punto más alto

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

H = vy²/(2g) = 6²/(2·9,81) = 1,835 m

Respuesta

H = 1,835 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: t = 4,651 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 = 26·cos 25° = 23,56 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 25° = 10,99 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 55 + 10,99·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10,99 + √(120,7 + 1079))/9,81 = 4,651 s

Respuesta

t = 4,651 s
7.Movimiento circular

Respuesta: v = 5,425 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.

Radio de la circunferencia

r = L·sin θ = 2·sin 60° = 1,732 m

Rapidez

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

v = √(r·g·tan θ) = √(1,732·9,81·tan 60°) = 5,425 m/s

Respuesta

v = 5,425 m/s
8.Movimiento circular

Respuesta: Ttop = 62,79 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 = 10² − 4·9,81·1,1 = 56,84 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 = 1,5·56,84/1,1 − 1,5·9,81 = 62,79 N

Respuesta

Ttop = 62,79 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: d = 62,92 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).

Velocidad en unidades básicas

v = 80/3,6 = 22,22 m/s

Balance de energía

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 22,22²/(2·0,4·9,81) = 62,92 m

Respuesta

d = 62,92 m

Duplicar la velocidad cuadruplica la distancia de frenado.

10.Trabajo y energía

Respuesta: N = 40,02 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·(8,8 − 5) = 74,56 m²/s²

Fuerzas en lo más alto

m·g = 2·9,81 = 19,62 N
N = mv²/R − mg = 2·74,56/2,5 − 19,62 = 40,02 N

Respuesta

N = 40,02 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 = 161,4 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) = √(2·9,81·0,23) = 2,124 m/s

Choque

m·v = (m + M)·V → v = (0,02 + 1,5)·2,124/0,02 = 161,4 m/s

Respuesta

v = 161,4 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: J = 6,75 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 = 0,45·(5 + 10) = 6,75 N·s

Respuesta

J = 6,75 N·s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: α = 11,32 rad/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.

Momentos respecto al pasador

En el instante de soltarla ω = 0, así que no hay aceleración centrípeta y el centro acelera directamente hacia abajo.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·1,3) = 11,32 rad/s²

Respuesta

α = 11,32 rad/s²
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 6,923 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 = 10·sin 20° = 3,42 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 + 0,4)
v = √(2·9,81·3,42/1,4) = 6,923 m/s

Respuesta

v = 6,923 m/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 8,445 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 = 8,042 m/s

Potencia

P = (1500 − 450)·8,042 = 8445 W = 8,445 kW

Respuesta

P = 8,445 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 580 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 = 2900·40/80 = 1450 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1450·16/40 = 580 rpm

Respuesta

nout = 580 rpm

relación total = 5 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 0,994 m

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 la longitud

L = g·(T/2π)² = 9,81·(2/2π)² = 0,994 m

Respuesta

L = 0,994 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: vmax = 0,2756 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.

Equilibrio y amplitud

x₀ = m·g/k = 0,3·9,81/380 = 0,007745 m = A

Velocidad máxima

La velocidad es máxima en el equilibrio.

ω = √(380/0,3) = 35,59 rad/s
vmax = A·ω = 0,007745·35,59 = 0,2756 m/s

Respuesta

vmax = 0,2756 m/s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1502

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 = (1/1)·ln(40/15,4) = 0,9545

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9545/√(39,48 + 0,9111) = 0,1502

Respuesta

ζ = 0,1502
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 5,033 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 uno al lado del otro comparten la deformación y suman sus fuerzas, así que sus rigideces simplemente se suman: k = k1 + k2.

keq = 40 + 60 = 100 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(100000/100) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Respuesta

fn = 5,033 Hz

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