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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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)2,857 s10

Un coche que circula a 36 km/h frena con una deceleración constante de 3,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 36 km/ha = −3,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
a = 26 m/s²

Un cohete de modelismo se lanza verticalmente hacia arriba desde el reposo. Su motor le da una aceleración constante hacia arriba de 26 m/s² durante 2 s; después el motor se apaga y el cohete se mueve libremente. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la altura máxima hmax que alcanza el cohete.

a = 26 m/s²t1 = 2 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
20 kg35°F = 160 Nμ = 0,2

Se arrastra un trineo de 20 kg por nieve horizontal con una cuerda a 35° por encima de la horizontal y una fuerza de 160 N. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del trineo.

m = 20 kgF = 160 Nθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 8 kg5 kgμ = 0,1

Un bloque de 8 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 = 8 kgm2 = 5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 22 m/s35°alcance

Se lanza una pelota a 35° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 22 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 30 mv0​ = 18 m/s15°x = ?

Se lanza una pelota a 15° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 30 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 18 m/sθ = 15°h = 30 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 130 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 130 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,8. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 130 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
θ = 8°hacia el centrovmax​ = ?

Una curva de radio 100 m tiene un peralte de 8°, y el coeficiente de rozamiento estático entre neumáticos y carretera es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que un coche puede tomar la curva sin deslizar hacia arriba y hacia fuera.

r = 100 mθ = 8°μs = 0,2g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
45°d = 9 mμ = 0,1

Un bloque de 2,5 kg desliza 9 m por una rampa inclinada 45° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,1. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 2,5 kgθ = 45°μ = 0,1d = 9 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 2 mL = 3,5 mμ = 0,15k = 800 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 0,5 kg a una altura de 2 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 3,5 m (μ = 0,15) y después choca contra un muelle (k = 800 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la velocidad v del bloque cuando llega al muelle.

m = 0,5 kgh = 2 mL = 3,5 mμ = 0,15k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
3 kgv = ?15 gh = 11 cm

Una bala de 15 g se dispara horizontalmente contra un bloque de madera de 3 kg que cuelga de hilos ligeros, y se queda incrustada en él. El bloque oscila hacia arriba hasta quedar 11 cm más alto que al principio. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 15 gM = 3 kgh = 11 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
27 m/s4 m/s

Una pelota de 0,4 kg golpea una pared a 27 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 4 m/s. El contacto dura 40 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,4 kgvin = 27 m/svout = 4 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 2800 rpmTb​ = 140 N·mI = 2,5 kg·m²

Un volante de inercia con un momento de inercia de 2,5 kg·m² gira a 2800 rpm. Un freno aplica un par de rozamiento constante de 140 N·m. ¿Cuánto tiempo t tarda en detenerse?

I = 2,5 kg·m²n = 2800 rpmTb = 140 N·m
t = s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
260 m/s20 g0,59 mL = 1,1 m2 kgφ

Una barra esbelta uniforme de masa 2 kg y longitud 1,1 m cuelga en reposo de un pivote sin rozamiento en su extremo superior. Una bala de 20 g que se mueve horizontalmente a 260 m/s golpea la barra 0,59 m por debajo del pivote y queda incrustada. Usa g = 9,81 m/s². Halla el mayor ángulo φ respecto a la vertical que alcanza la barra al oscilar.

M = 2 kgL = 1,1 mm = 20 gv = 260 m/sd = 0,59 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 150 mmd2​ = 450 mm2880 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 375 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 150 mm a 2880 rpm. La tensión es de 1500 N en el ramal tenso y de 375 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 150 mmn1 = 2880 rpmT1 = 1500 NT2 = 375 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 50C = 32D = 60

Un motor de 3 kW a 2900 rpm acciona la rueda A (12 dientes), que engrana con la rueda B (50 dientes). La rueda C (32 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (60 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida Tout.

P = 3 kWnin = 2900 rpmA = 12B = 50C = 32D = 60ηmesh = 97%
Tout = N·m
17.Muelles y péndulosMedia
L = 1 mT = 1,26 s

Una astronauta en otro planeta comprueba que un péndulo simple de 1 m de longitud tiene un periodo de 1,26 s para oscilaciones pequeñas. Halla la aceleración de la gravedad g en ese planeta.

L = 1 mT = 1,26 s
g = m/s²
18.Muelles y péndulosDifícil
1,6 kgk = 490 N/m

Una masa de 1,6 kg se une al extremo inferior de un muelle vertical sin estirar con k = 490 N/m y se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla el alargamiento máximo xmax del muelle en cm.

m = 1,6 kgk = 490 N/mg = 9,81 m/s²
xmax = cm
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx50 mm3 ciclos23,5 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 50 mm le sigue 3 ciclos después un pico de 23,5 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 50 mmx3 = 23,5 mmn = 3
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 25m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 50 kN/m y el inferior k₂ = 25 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 10 kgk1 = 50 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 14,29 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 = 36/3,6 = 10 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·3,5) = 14,29 m

Respuesta

s = 14,29 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 189,8 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.

Fase propulsada

v₁ = 26·2 = 52 m/s
h₁ = ½·26·2² = 52 m

Vuelo libre hacia arriba

En el punto más alto la velocidad es nula.

Δh = v₁²/(2g) = 52²/(2·9,81) = 137,8 m
hmax = 52 + 137,8 = 189,8 m

Respuesta

hmax = 189,8 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 5,509 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 = 196,2 − 160·sin 35° = 104,4 N

Fuerzas horizontales

m·a = F·cos θ − μ·N = 131,1 − 20,89
a = 110,2/20 = 5,509 m/s²

Respuesta

a = 5,509 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 33,2 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.

Aceleración del sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (49,05 − 7,848)/13 = 3,169 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 8·3,169 + 7,848 = 33,2 N

Respuesta

T = 33,2 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: t = 2,573 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 = 22·cos 35° = 18,02 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 35° = 12,62 m/s

Tiempo de vuelo

Sale y cae a la misma altura: t = 2vy/g.

t = 2·12,62/9,81 = 2,573 s

Respuesta

t = 2,573 s
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 52,04 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 15° = 17,39 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 15° = 4,659 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 30 + 4,659·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (4,659 + √(21,7 + 588,6))/9,81 = 2,993 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 17,39·2,993 = 52,04 m

Respuesta

x = 52,04 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 31,94 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) = √(0,8·9,81·130) = 31,94 m/s

Respuesta

vmax = 31,94 m/s (115 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 18,54 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 abajo.

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

Rapidez

v = √(100·9,81·0,3372/0,9624) = 18,54 m/s

Respuesta

vmax = 18,54 m/s
(66,74 km/h)
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 15,61 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 = 24,53·0,7071 = 17,34 N
F = μN = 0,1·17,34 = 1,734 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 1,734·9 = 15,61 J

Respuesta

Wf = 15,61 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 5,38 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 tras la franja rugosa

La rampa es lisa, así que solo la franja quita energía.

mgh − μmgL = 4,905·(2 − 0,15·3,5) = 7,235 J

Velocidad al llegar al muelle

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·1,475) = 5,38 m/s

Respuesta

v = 5,38 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 295,3 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) = √(2·9,81·0,11) = 1,469 m/s

Choque

m·v = (m + M)·V → v = (0,015 + 3)·1,469/0,015 = 295,3 m/s

Respuesta

v = 295,3 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 310 N

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 = 0,4·(4 + 27) = 12,4 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 12,4/0,04 = 310 N

Respuesta

Favg = 310 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: t = 5,236 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·2800/60 = 293,2 rad/s

Deceleración y tiempo

α = Tb/I = 140/2,5 = 56 rad/s²
t = ω/α = 293,2/56 = 5,236 s

Respuesta

t = 5,236 s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: φ = 61,99 °

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 = 2·1,1²/3 + 0,02·0,59² = 0,8136 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 = 0,02·260·0,59/0,8136 = 3,771 rad/s

Energía durante la oscilación

½·I·ω² = ½·0,8136·3,771² = 5,784 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 10,91·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 5,784/10,91 = 0,4697 → φ = 61,99°

Respuesta

φ = 61,99°
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 25,45 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 = 22,62 m/s

Potencia

P = (1500 − 375)·22,62 = 25447 W = 25,45 kW

Respuesta

P = 25,45 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 72,62 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.

Velocidad de salida

nout = 2900·(12/50)·(32/60) = 371,2 rpm
ωout = 2π·371,2/60 = 38,87 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 3000·0,97² = 2823 W
Tout = Pout/ωout = 2823/38,87 = 72,62 N·m

Respuesta

Tout = 72,62 N·m
17.Muelles y péndulos

Respuesta: g = 24,87 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 = 4π²·1/1,26² = 24,87 m/s²

Respuesta

g = 24,87 m/s²
18.Muelles y péndulos

Respuesta: xmax = 6,407 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.

Equilibrio y amplitud

x₀ = m·g/k = 1,6·9,81/490 = 0,03203 m = A

Punto más bajo

xmax = 2A = 0,06407 m = 6,407 cm

Respuesta

xmax = 6,407 cm
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,04002

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 = (1/3)·ln(50/23,5) = 0,2517

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2517/√(39,48 + 0,06334) = 0,04002

Respuesta

ζ = 0,04002
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 16,67 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 en serie soportan la misma fuerza y suman sus deformaciones, así que se combinan como inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/50 + 1/25 → keq = 50·25/(50 + 25) = 16,67 kN/m

Respuesta

keq = 16,67 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics