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)0,8 s15

Una conductora que circula a 54 km/h ve un obstáculo. Su tiempo de reacción es 0,8 s, tras el cual el coche frena con una deceleración constante de 4,5 m/s². Halla la distancia total de detención d desde el momento en que ve el obstáculo.

v₀ = 54 km/htr = 0,8 sa = −4,5 m/s²
d = m
2.CinemáticaDifícil
AB: 22 m/s35 m

La bola A se deja caer desde el reposo desde una altura de 35 m. En el mismo instante, la bola B se lanza verticalmente hacia arriba desde el suelo, justo debajo, a 22 m/s. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura y sobre el suelo se encuentran?

H = 35 mv0B = 22 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 35°a = ?m = 16 kg

Un bloque de 16 kg baja deslizando por una rampa sin rozamiento inclinada 35° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 16 kgθ = 35°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 3 kg5 kgθ = 40°

Un bloque de 3 kg sobre una rampa de 40° está unido mediante un hilo ligero, que pasa por una polea sin rozamiento en lo alto de la rampa, a una masa colgante de 5 kg. La masa colgante baja. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la rampa es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 3 kgm2 = 5 kgθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 14 m/s55°x = ?

Se lanza una pelota a 55° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 14 m/sθ = 55°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 10 mv0​ = 31 m/s20°x = ?

Se lanza una pelota a 20° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 10 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 31 m/sθ = 20°h = 10 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 55 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 55 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,4. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 55 mμs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,9 mv = 5 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 1,8 kg atada a una cuerda de 0,9 m. En el punto más bajo se mueve a 5 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 1,8 kgr = 0,9 mv = 5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
35°d = 15 mμ = 0,1

Un bloque de 2 kg desliza 15 m por una rampa inclinada 35° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,1. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 2 kgθ = 35°μ = 0,1d = 15 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 1 mL = 2,5 mμ = 0,2k = 5000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 4 kg a una altura de 1 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 2,5 m (μ = 0,2) y después choca contra un muelle (k = 5000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 4 kgh = 1 mL = 2,5 mμ = 0,2k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
4 kgv = ?10 gh = 8 cm

Una bala de 10 g se dispara horizontalmente contra un bloque de madera de 4 kg que cuelga de hilos ligeros, y se queda incrustada en él. El bloque oscila hacia arriba hasta quedar 8 cm más alto que al principio. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 10 gM = 4 kgh = 8 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
27 m/s19 m/s

Una pelota de 0,6 kg golpea una pared a 27 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 19 m/s. El contacto dura 10 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,6 kgvin = 27 m/svout = 19 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 1 mm = 12 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 12 kg y longitud 1 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 = 12 kgL = 1 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
0,9 m0,2 mn1​ = 40 rpm

Una persona está de pie sobre un plato giratorio sin rozamiento y sostiene una pesa de 6 kg en cada mano, a 0,9 m del eje. La persona y el plato solos tienen un momento de inercia de 4 kg·m² respecto al eje. Giran a 40 rpm y luego acercan las pesas hasta 0,2 m del eje. Trata las pesas como masas puntuales. Halla la nueva velocidad n2 en rpm.

I0 = 4 kg·m²m = 2 × 6 kgr1 = 0,9 mr2 = 0,2 mn1 = 40 rpm
n2 = rpm
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 100 mmd2​ = 450 mm1450 rpmn2​ = ?

Una polea de 100 mm a 1450 rpm acciona una polea de 450 mm mediante una correa con un 2 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1450 rpmd1 = 100 mmd2 = 450 mms = 2 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 15B = 24C = 12D = 50

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (15 dientes), en el eje de entrada que gira a 1450 rpm, acciona el engranaje B (24 dientes). El engranaje C (12 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (50 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1450 rpmA = 15B = 24C = 12D = 50
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

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

T = 1,1 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
3,5 kgk = 200 N/m300 m/s

Una bala de 20 g que se mueve a 300 m/s impacta y se queda incrustada en un bloque de 3,5 kg que descansa sobre una superficie sin rozamiento. El bloque está unido a un muelle horizontal con k = 200 N/m. Halla la amplitud A de la oscilación resultante en cm.

m = 20 gv = 300 m/sM = 3,5 kgk = 200 N/m
A = cm
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 20 kN/mζ = 0,35m = 15 kg

Una masa de 15 kg sobre un muelle con una rigidez de 20 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,35. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 15 kgk = 20 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 15m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 50 kN/m y el inferior k₂ = 15 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 5 kgk1 = 50 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 37 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 = 54/3,6 = 15 m/s

Distancia de reacción

d1 = v₀·tr = 15·0,8 = 12 m

Distancia de frenado

d2 = v₀²/(2a) = 15²/(2·4,5) = 25 m

Total

d = 12 + 25 = 37 m

Respuesta

d = 37 m
2.Cinemática

Respuesta: y = 22,59 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.

Instante del encuentro

Hacia arriba es positivo; el suelo es y = 0.

35 − ½g·t² = 22·t − ½g·t² → t = 35/22 = 1,591 s

Altura del encuentro

y = 22·1,591 − ½·9,81·1,591² = 22,59 m

Respuesta

y = 22,59 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 5,627 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 35° − 0·cos 35°) = 9,81·(0,5736 − 0) = 5,627 m/s²

Respuesta

a = 5,627 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 33,74 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 del hilo

m₂·g = 49,05 N
m₁·g·sin θ = 18,92 N
μ·m₁·g·cos θ = 5,636 N

Aceleración del sistema

a = (49,05 − 18,92 − 5,636)/8 = 3,062 m/s²

Tensión a partir de la masa colgante

m2·g − T = m2·a → T = 5·(9,81 − 3,062) = 33,74 N

Respuesta

T = 33,74 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: x = 18,77 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 55° = 8,03 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 55° = 11,47 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·11,47/9,81 = 2,338 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 8,03·2,338 = 18,77 m

Respuesta

x = 18,77 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 83,65 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 = 31·cos 20° = 29,13 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 20° = 10,6 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 10 + 10,6·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10,6 + √(112,4 + 196,2))/9,81 = 2,872 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 29,13·2,872 = 83,65 m

Respuesta

x = 83,65 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 14,69 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) = √(0,4·9,81·55) = 14,69 m/s

Respuesta

vmax = 14,69 m/s (52,89 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 67,66 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.

Fuerzas en el punto más bajo

Hacia el centro (hacia arriba) es positivo.

T − m·g = m·v²/r
T = 1,8·9,81 + 1,8·5²/0,9 = 17,66 + 50 = 67,66 N

Respuesta

T = 67,66 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 24,11 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 = 19,62·0,8192 = 16,07 N
F = μN = 0,1·16,07 = 1,607 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 1,607·15 = 24,11 J

Respuesta

Wf = 24,11 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 8,859 cm

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 = 39,24·(1 − 0,2·2,5) = 19,62 J

Compresión máxima

½kx² = 19,62 → x = √(2·19,62/5000) = 0,08859 m = 8,859 cm

Respuesta

x = 8,859 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 502,4 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) = √(2·9,81·0,08) = 1,253 m/s

Choque

m·v = (m + M)·V → v = (0,01 + 4)·1,253/0,01 = 502,4 m/s

Respuesta

v = 502,4 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 2760 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 = 0,6·(19 + 27) = 27,6 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 27,6/0,01 = 2760 N

Respuesta

Favg = 2760 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: α = 14,71 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) = 14,71 rad/s²

Respuesta

α = 14,71 rad/s²
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: n2 = 122,5 rpm

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.

Momentos de inercia

I1 = 4 + 2·6·0,9² = 13,72 kg·m²
I2 = 4 + 2·6·0,2² = 4,48 kg·m²

Conservación del momento angular

n2 = n1·I1/I2 = 40·13,72/4,48 = 122,5 rpm

Respuesta

n2 = 122,5 rpm

La energía cinética aumenta: la energía extra procede del trabajo que realiza la persona al acercar las pesas.

15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 315,8 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

1450·100/450 = 322,2 rpm

Con deslizamiento

n2 = 322,2·0,98 = 315,8 rpm

Respuesta

n2 = 315,8 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 217,5 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 = 1450·15/24 = 906,3 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 906,3·12/50 = 217,5 rpm

Respuesta

nout = 217,5 rpm

relación total = 6,667 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 0,3007 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·(1,1/2π)² = 0,3007 m

Respuesta

L = 0,3007 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: A = 22,61 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.

Velocidad tras el impacto

V = m·v/(m + M) = 0,02·300/3,52 = 1,705 m/s

Frecuencia angular

ω = √(k/(m + M)) = √(200/3,52) = 7,538 rad/s

Amplitud

A = V/ω = 1,705/7,538 = 0,2261 m = 22,61 cm

Respuesta

A = 22,61 cm
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 5,444 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 = √(20000/15) = 36,51 rad/s
fn = 36,51/(2π) = 5,812 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,812·√(1 − 0,35²) = 5,444 Hz

Respuesta

fd = 5,444 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 11,54 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 + 1/15 → keq = 50·15/(50 + 15) = 11,54 kN/m

Respuesta

keq = 11,54 kN/m

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