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
policíaa = 6 m/s²coche26 m/s

Un coche que circula a 26 m/s constantes, por encima del límite, adelanta a un coche de policía parado. En ese momento el coche de policía arranca y acelera uniformemente a 6 m/s². ¿Cuánto tarda el coche de policía en alcanzarlo? Halla t.

vcar = 26 m/sapolice = 6 m/s²v0,police = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 19 m/s25 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 19 m/s desde el borde de un tejado situado a 25 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 = 19 m/sh₀ = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 20°a = ?m = 6 kg

Un bloque de 6 kg baja deslizando por una rampa inclinada 20° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 6 kgθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
11 kg2 kgTF = 130 Nμ = 0,25

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 130 N tira del bloque delantero de 2 kg; el bloque de 11 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de los bloques.

m1 = 11 kgm2 = 2 kgF = 130 Nμ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 30 m/s25°alcanceH = ?

Se lanza una pelota a 25° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la altura máxima H que alcanza la pelota.

v0 = 30 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
22 mv0​ = 37 m/s55°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 37 m/s y 55° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 22 m de altura. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la distancia horizontal x desde el punto de lanzamiento hasta donde cae.

v₀ = 37 m/sθ = 55°hroof = 22 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 145 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 145 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,6. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 145 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
R = 1 mh = 4,5 m

Una vagoneta de 4 kg se suelta desde el reposo a una altura de 4,5 m sobre una pista sin rozamiento y recorre un rizo vertical de radio 1 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza normal Ntop de la pista sobre la vagoneta en lo más alto del rizo.

m = 4 kgh = 4,5 mR = 1 mg = 9,81 m/s²
Ntop = N
9.Trabajo y energíaMedia
40°d = 10 mμ = 0,35

Un bloque de 2 kg desliza 10 m por una rampa inclinada 40° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,35. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 2 kgθ = 40°μ = 0,35d = 10 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 5 mL = 3,5 mμ = 0,25k = 800 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 2 kg a una altura de 5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 3,5 m (μ = 0,25) 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 = 2 kgh = 5 mL = 3,5 mμ = 0,25k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
3 kg4 m/s2,5 kg

Un deslizador de 3 kg que se mueve a 4 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 2,5 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′1 del primer deslizador después del choque (positiva en su sentido inicial).

m1 = 3 kgm2 = 2,5 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
14 m/s10 m/s

Una pelota de 0,4 kg golpea una pared a 14 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 10 m/s. El contacto dura 10 ms. Halla el módulo del impulso J que la pared ejerce sobre la pelota.

m = 0,4 kgvin = 14 m/svout = 10 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 600 rpmTb​ = 200 N·mI = 31,5 kg·m²

Un volante de inercia con un momento de inercia de 31,5 kg·m² gira a 600 rpm. Un freno aplica un par de rozamiento constante de 200 N·m. ¿Cuántas vueltas N da el volante antes de detenerse?

I = 31,5 kg·m²n = 600 rpmTb = 200 N·m
N = rev
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
1 m/sω

Un cuerpo (esfera hueca) de masa 1,5 kg rueda sin deslizar a 1 m/s. ¿Qué porcentaje p de su energía cinética total es de rotación?

m = 1,5 kgv = 1 m/sI = (2/3)·m·r²
p = %
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 18N2​ = 25

Un motor de 1,5 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 18 dientes, que engrana con una rueda de 25 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 96 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 1,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 18N2 = 25η = 96%
T2 = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm1500 rpmC = 1000 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 100 mm y una polea de 400 mm cuyos centros están separados 1000 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 100 mmd2 = 400 mmC = 1000 mm
θ = °
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

¿Qué longitud debe tener un péndulo simple para que su periodo sea de 1,8 s? Usa g = 9,81 m/s². Halla L.

T = 1,8 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
1,6 kgk = 70 N/mA = 17 cm

Una masa de 1,6 kg unida a un muelle con k = 70 N/m se separa 17 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.

m = 1,6 kgk = 70 N/mA = 17 cm
E = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 10 kN/mζ = 0,3m = 20 kg

Una masa de 20 kg sobre un muelle con una rigidez de 10 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,3. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 20 kgk = 10 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 5k3​ = 60m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga del muelle k₃ = 60 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 30 kN/m y k₂ = 5 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 = 50 kgk1 = 30 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: t = 8,667 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.

Distancias iguales

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·26/6 = 8,667 s

Respuesta

t = 8,667 s

En ese momento el coche de policía va a 2v = 52 m/s.

2.Cinemática

Respuesta: t = 4,911 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.

−25 = 19·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 19·t − 25 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (19 + √(19² + 2·9,81·25))/9,81 = 4,911 s

Respuesta

t = 4,911 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 1,051 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° − 0,25·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,2349) = 1,051 m/s²

Respuesta

a = 1,051 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 7,547 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.

Sistema completo

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (130 − 31,88)/13 = 7,547 m/s²

Respuesta

a = 7,547 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: H = 8,193 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 = 30·cos 25° = 27,19 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 25° = 12,68 m/s

Punto más alto

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

H = vy²/(2g) = 12,68²/(2·9,81) = 8,193 m

Respuesta

H = 8,193 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 113,3 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

vx = 21,22 m/s, vy = 30,31 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

22 = 30,31·t − 4,905·t²
t = (30,31 + √(30,31² − 2·9,81·22))/9,81 = 5,339 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 21,22·5,339 = 113,3 m

Respuesta

x = 113,3 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 29,21 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) = √(0,6·9,81·145) = 29,21 m/s

Respuesta

vmax = 29,21 m/s (105,2 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: Ntop = 157 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 a partir de la conservación de la energía

v² = 2·9,81·(4,5 − 2·1) = 49,05 m²/s²

Fuerzas

Hacia el centro es positivo.

N = m·v²/R − m·g = 4·49,05/1 − 39,24 = 157 N

Respuesta

Ntop = 157 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 52,6 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 = 19,62·0,766 = 15,03 N
F = μN = 0,35·15,03 = 5,26 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 5,26·10 = 52,6 J

Respuesta

Wf = 52,6 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 8,996 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 = 19,62·(5 − 0,25·3,5) = 80,93 J

Velocidad al llegar al muelle

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·4,125) = 8,996 m/s

Respuesta

v = 8,996 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = 0,3636 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.

Choque elástico con un blanco en reposo

Resolver a la vez la conservación de la cantidad de movimiento y la de la energía da estos dos resultados.

v′1 = (3 − 2,5)/(3 + 2,5)·4 = 0,3636 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 2,5)·4 = 4,364 m/s

Respuesta

v′1 = 0,3636 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: J = 9,6 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 = 0,4·(10 + 14) = 9,6 N·s

Respuesta

J = 9,6 N·s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: N = 49,48 rev

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·600/60 = 62,83 rad/s

El trabajo del freno es igual a la energía cinética

½·I·ω² = ½·31,5·62,83² = 62179 J
θ = 62179/200 = 310,9 rad

Vueltas

N = θ/2π = 49,48 rev

Respuesta

N = 49,48 rev
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: p = 40 %

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.

Partes de traslación y de rotación

Etrans = ½·m·v² = ½·1,5·1² = 0,75 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,6667·m·r²·(v/r)² = 0,6667·0,75 = 0,5 J

Proporción de rotación

p = 0,5/1,25·100% = c/(1 + c)·100% = 40%

Respuesta

p = 40 %

La proporción depende solo de la forma, no de la masa ni de la velocidad.

15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 6,586 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.

Par del motor

ω₁ = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/303,7 = 4,939 N·m

Par de salida

T2 = 4,939·25/18·0,96 = 6,586 N·m

Respuesta

T2 = 6,586 N·m
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 162,7 °

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.

Ángulo de la correa

asin(0,15) = 8,627°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·8,627 = 162,7°

Respuesta

θ = 162,7°
17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 0,8051 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·(1,8/2π)² = 0,8051 m

Respuesta

L = 0,8051 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: E = 1,012 J

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 = √(70/1,6) = 6,614 rad/s

Energía

E = ½·k·A² = ½·70·0,17² = 1,012 J

Respuesta

E = 1,012 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 3,395 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 = √(10000/20) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,559·√(1 − 0,3²) = 3,395 Hz

Respuesta

fd = 3,395 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 3,346 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 = 30 + 5 = 35 kN/m
keq = 35·60/(35 + 60) = 22,11 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(22105/50) = 21,03 rad/s
fn = 21,03/(2π) = 3,346 Hz

Respuesta

fn = 3,346 Hz

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