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)1,2 s25

Una conductora que circula a 90 km/h ve un obstáculo. Su tiempo de reacción es 1,2 s, tras el cual el coche frena con una deceleración constante de 5 m/s². Halla la distancia total de detención d desde el momento en que ve el obstáculo.

v₀ = 90 km/htr = 1,2 sa = −5 m/s²
d = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 11 m/s15 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 11 m/s desde el borde de un tejado situado a 15 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 = 11 m/sh₀ = 15 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 45°a = ?m = 13 kg

Un bloque de 13 kg baja deslizando por una rampa inclinada 45° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 13 kgθ = 45°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
θ = 20°bloquev₀ = 3,5 m/s

Se da un empujón a un bloque de modo que empieza a subir por una rampa de 20° con una velocidad de 3,5 m/s. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué distancia d recorre por la rampa antes de detenerse?

v₀ = 3,5 m/sθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 14 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 = 14 m/sθ = 70°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
8 mv0​ = 34 m/s65°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 34 m/s y 65° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 8 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 = 34 m/sθ = 65°hroof = 8 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 40 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 40 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 40 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,6 m6,5 m/svtop​ = ?

Una bola de 1,8 kg sujeta a un hilo ligero de 0,6 m de longitud se hace girar en una circunferencia vertical. En el punto más bajo su velocidad es 6,5 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 = 1,8 kgr = 0,6 mvbottom = 6,5 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Trabajo y energíaMedia
100 km/h

Un coche que circula a 100 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 0,7. Halla la distancia de frenado d.

v = 100 km/hμ = 0,7g = 9,81 m/s²
d = m
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 2 mL = 4,5 mμ = 0,2k = 500 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 2,5 kg a una altura de 2 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 4,5 m (μ = 0,2) y después choca contra un muelle (k = 500 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la velocidad v del bloque cuando llega al muelle.

m = 2,5 kgh = 2 mL = 4,5 mμ = 0,2k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
2,5 kg8 m/s0,5 kg

Un deslizador de 2,5 kg que se mueve a 8 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 0,5 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 = 2,5 kgm2 = 0,5 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
8 m/s9 m/s

Una pelota de 0,15 kg golpea una pared a 8 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 9 m/s. El contacto dura 40 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,15 kgvin = 8 m/svout = 9 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 2,8 mm = 17,5 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 17,5 kg y longitud 2,8 m está articulada por un extremo y se mantiene horizontal. Se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza vertical R que el pasador ejerce sobre la barra justo después de soltarla.

m = 17,5 kgL = 2,8 mg = 9,81 m/s²
R = N
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
400 m/s10 g0,43 mL = 0,7 m8,5 kg

Una barra esbelta uniforme de masa 8,5 kg y longitud 0,7 m cuelga en reposo de un pivote sin rozamiento en su extremo superior. Una bala de 10 g que se mueve horizontalmente a 400 m/s golpea la barra 0,43 m por debajo del pivote y queda incrustada. Halla la velocidad angular ω de la barra justo después del impacto.

M = 8,5 kgL = 0,7 mm = 10 gv = 400 m/sd = 0,43 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 160 mmd2​ = 500 mm720 rpmn2​ = ?

Una polea de 160 mm a 720 rpm acciona una polea de 500 mm mediante una correa con un 2 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 720 rpmd1 = 160 mmd2 = 500 mms = 2 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 24B = 32C = 15D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (24 dientes) del eje de entrada gira a 1500 rpm y acciona la rueda B (32 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 375 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 1500 rpmA = 24B = 32C = 15nout = 375 rpm
ND =
17.Muelles y péndulosMedia
1,8 kgk = 360 N/mA = 20 cmx = 12 cm

Una masa de 1,8 kg unida a un muelle con k = 360 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 20 cm. Halla su velocidad v cuando está a 12 cm del equilibrio.

m = 1,8 kgk = 360 N/mA = 20 cmx = 12 cm
v = m/s
18.Muelles y péndulosDifícil
3,8 kgk = 240 N/mA = 17 cm

Una masa de 3,8 kg unida a un muelle con k = 240 N/m se separa 17 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.

m = 3,8 kgk = 240 N/mA = 17 cm
amax = m/s²
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx25 mm3 ciclos2,6 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 25 mm le sigue 3 ciclos después un pico de 2,6 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 25 mmx3 = 2,6 mmn = 3
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 25m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 10 kN/m y el inferior k₂ = 25 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 20 kgk1 = 10 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 92,5 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 = 90/3,6 = 25 m/s

Distancia de reacción

d1 = v₀·tr = 25·1,2 = 30 m

Distancia de frenado

d2 = v₀²/(2a) = 25²/(2·5) = 62,5 m

Total

d = 30 + 62,5 = 92,5 m

Respuesta

d = 92,5 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 21,17 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 = 11²/(2·9,81) = 6,167 m

Altura sobre el suelo

hmax = 15 + 6,167 = 21,17 m

Respuesta

hmax = 21,17 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 5,549 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 45° − 0,2·cos 45°) = 9,81·(0,7071 − 0,1414) = 5,549 m/s²

Respuesta

a = 5,549 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: d = 1,082 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 20° + 0,25·cos 20°) = 5,66 m/s²

Distancia

d = v₀²/(2a) = 3,5²/(2·5,66) = 1,082 m

Respuesta

d = 1,082 m
5.Tiro parabólico

Respuesta: H = 8,821 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 = 14·cos 70° = 4,788 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 70° = 13,16 m/s

Punto más alto

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

H = vy²/(2g) = 13,16²/(2·9,81) = 8,821 m

Respuesta

H = 8,821 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 86,37 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 = 14,37 m/s, vy = 30,81 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

8 = 30,81·t − 4,905·t²
t = (30,81 + √(30,81² − 2·9,81·8))/9,81 = 6,011 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 14,37·6,011 = 86,37 m

Respuesta

x = 86,37 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 10,85 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) = √(0,3·9,81·40) = 10,85 m/s

Respuesta

vmax = 10,85 m/s (39,06 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: Ttop = 38,46 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 = 6,5² − 4·9,81·0,6 = 18,71 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 = 1,8·18,71/0,6 − 1,8·9,81 = 38,46 N

Respuesta

Ttop = 38,46 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: d = 56,18 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 = 100/3,6 = 27,78 m/s

Balance de energía

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 27,78²/(2·0,7·9,81) = 56,18 m

Respuesta

d = 56,18 m

Duplicar la velocidad cuadruplica la distancia de frenado.

10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 4,646 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 = 24,53·(2 − 0,2·4,5) = 26,98 J

Velocidad al llegar al muelle

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·1,1) = 4,646 m/s

Respuesta

v = 4,646 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = 5,333 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 = (2,5 − 0,5)/(2,5 + 0,5)·8 = 5,333 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 0,5)·8 = 13,33 m/s

Respuesta

v′1 = 5,333 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 63,75 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 = 0,15·(9 + 8) = 2,55 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 2,55/0,04 = 63,75 N

Respuesta

Favg = 63,75 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: R = 42,92 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.

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/(2·2,8) = 5,255 rad/s²

Fuerzas verticales

aG = α·L/2 = 7,357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 17,5·(9,81 − 7,357) = 42,92 N

Respuesta

R = 42,92 N

R = m·g/4, independiente de la longitud.

14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 1,237 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 = 8,5·0,7²/3 + 0,01·0,43² = 1,39 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 = 0,01·400·0,43/1,39 = 1,237 rad/s

Respuesta

ω = 1,237 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 225,8 rpm

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 sin deslizamiento

720·160/500 = 230,4 rpm

Con deslizamiento

n2 = 230,4·0,98 = 225,8 rpm

Respuesta

n2 = 225,8 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 45

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 = 1500·24/32 = 1125 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 15·1125/375 = 45

Respuesta

ND = 45
17.Muelles y péndulos

Respuesta: v = 2,263 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 = √(360/1,8) = 14,14 rad/s

Velocidad en x

v = ω·√(A² − x²) = 14,14·√(0,2² − 0,12²) = 2,263 m/s

Respuesta

v = 2,263 m/s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: amax = 10,74 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 = √(240/3,8) = 7,947 rad/s

Aceleración máxima

amax = A·ω² = 0,17·7,947² = 10,74 m/s²

Respuesta

amax = 10,74 m/s²
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1192

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(25/2,6) = 0,7545

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7545/√(39,48 + 0,5692) = 0,1192

Respuesta

ζ = 0,1192
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 7,143 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 = 1/10 + 1/25 → keq = 10·25/(10 + 25) = 7,143 kN/m

Respuesta

keq = 7,143 kN/m

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