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)t = ?25

Un coche que circula a 90 km/h frena con una deceleración constante de 6 m/s² hasta detenerse. ¿Cuánto dura la frenada? Halla t.

v₀ = 90 km/ha = −6 m/s²v = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 13 m/s15 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 13 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 = 13 m/sh₀ = 15 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 45°a = ?m = 4 kg

Un bloque de 4 kg baja deslizando por una rampa sin rozamiento inclinada 45° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 4 kgθ = 45°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
3 kg12 kgTF = 135 Nμ = 0,3

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 135 N tira del bloque delantero de 12 kg; el bloque de 3 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T del hilo de unión.

m1 = 3 kgm2 = 12 kgF = 135 Nμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 10 m/s60°alcance

Se lanza una pelota a 60° 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 = 10 m/sθ = 60°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 10 mv0​ = 34 m/s45°alcance

Se lanza una pelota a 45° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 10 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 34 m/sθ = 45°h = 10 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimiento circularMedia
r = 20 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 20 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 = 20 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 1,1 m8,5 m/svtop​ = ?

Una bola de 0,7 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 8,5 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 = 0,7 kgr = 1,1 mvbottom = 8,5 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Trabajo y energíaMedia
50°L = 0,5 m5 kg

Una bola de 5 kg cuelga de un hilo ligero de longitud 0,5 m. Se separa hasta que el hilo forma 50° con la vertical y se suelta desde el reposo. Halla la tensión T del hilo cuando la bola pasa por el punto más bajo.

m = 5 kgL = 0,5 mθ = 50°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Trabajo y energíaDifícil
3 kg2 kgμ = 0,2d = 2,5 m

Un bloque de 3 kg descansa sobre una mesa horizontal rugosa (μ = 0,2). Un hilo ligero va desde él, pasando por una polea lisa en el borde de la mesa, hasta un bloque colgante de 2 kg. El sistema se suelta desde el reposo. Halla la velocidad v de los bloques cuando el bloque colgante ha bajado 2,5 m.

m1 = 3 kgm2 = 2 kgμ = 0,2d = 2,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
2 kg55 m/s6 kgv′2​ = ?

Un proyectil de 8 kg que se mueve horizontalmente a 21 m/s explota en dos fragmentos que se mueven a lo largo de la misma recta. El fragmento de 2 kg sigue hacia delante a 55 m/s. Halla la velocidad v′2 del fragmento de 6 kg (positiva en el sentido original).

M = 8 kgu = 21 m/sm1 = 2 kgv′1 = 55 m/sm2 = 6 kg
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1900 kgv1​ = ?1300 kg

Un coche de 1900 kg choca con un coche aparcado de 1300 kg. Los restos quedan unidos y derrapan 16,5 m antes de detenerse. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,5. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v1 del primer coche justo antes del choque.

m1 = 1900 kgm2 = 1300 kgd = 16,5 mμ = 0,5g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 2,9 mm = 9 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 9 kg y longitud 2,9 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 = 9 kgL = 2,9 mg = 9,81 m/s²
R = N
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 10°vs = 3,5 m

Un cuerpo (aro delgado) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 10° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla su velocidad v después de haber rodado 3,5 m a lo largo de la pendiente.

θ = 10°s = 3,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 80 mmd2​ = 450 mm1450 rpmn2​ = ?

Una polea de 80 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 = 80 mmd2 = 450 mms = 2 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 18B = 45C = 30D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (18 dientes) del eje de entrada gira a 3000 rpm y acciona la rueda B (45 dientes). La rueda C (30 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 1000 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 3000 rpmA = 18B = 45C = 30nout = 1000 rpm
ND =
17.Muelles y péndulosMedia
L = 2 mT = 2,66 s

Una astronauta en otro planeta comprueba que un péndulo simple de 2 m de longitud tiene un periodo de 2,66 s para oscilaciones pequeñas. Halla la aceleración de la gravedad g en ese planeta.

L = 2 mT = 2,66 s
g = m/s²
18.Muelles y péndulosDifícil
3,7 kgk = 110 N/mA = 7 cm

Una masa de 3,7 kg unida a un muelle con k = 110 N/m se separa 7 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.

m = 3,7 kgk = 110 N/mA = 7 cm
amax = m/s²
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 2 kN/mζ = 0,3m = 10 kg

Una masa de 10 kg sobre un muelle con una rigidez de 2 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 = 10 kgk = 2 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 30m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 10 kN/m y k₂ = 30 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 = 10 kgk1 = 10 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: t = 4,167 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.

Unidades

v₀ = 90/3,6 = 25 m/s

Tiempo de frenado

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 25/6 = 4,167 s

Respuesta

t = 4,167 s
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 23,61 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 = 13²/(2·9,81) = 8,614 m

Altura sobre el suelo

hmax = 15 + 8,614 = 23,61 m

Respuesta

hmax = 23,61 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 6,937 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·cos 45°) = 9,81·(0,7071 − 0) = 6,937 m/s²

Respuesta

a = 6,937 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 27 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.

Sistema completo

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (135 − 44,15)/15 = 6,057 m/s²

Bloque trasero por separado

T = m1·(a + μ·g) = 3·(6,057 + 2,943) = 27 N

Respuesta

T = 27 N

Con el mismo μ en ambos bloques, el rozamiento desaparece: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Tiro parabólico

Respuesta: t = 1,766 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 = 10·cos 60° = 5 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 60° = 8,66 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·8,66/9,81 = 1,766 s

Respuesta

t = 1,766 s
6.Tiro parabólico

Respuesta: t = 5,287 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 = 34·cos 45° = 24,04 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 45° = 24,04 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 10 + 24,04·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (24,04 + √(578 + 196,2))/9,81 = 5,287 s

Respuesta

t = 5,287 s
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 12,53 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) = √(0,8·9,81·20) = 12,53 m/s

Respuesta

vmax = 12,53 m/s (45,1 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: Ttop = 11,64 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 = 8,5² − 4·9,81·1,1 = 29,09 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 = 0,7·29,09/1,1 − 0,7·9,81 = 11,64 N

Respuesta

Ttop = 11,64 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: T = 84,09 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 abajo

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·0,5·(1 − cos 50°) = 3,504 m²/s²

Fuerzas abajo

m·g = 5·9,81 = 49,05 N
T = mg + mv²/L = 49,05 + 5·3,504/0,5 = 84,09 N

Respuesta

T = 84,09 N

Comprobación: T = mg(3 − 2cos θ) = 84,09 N.

10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 3,706 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 liberada y perdida

m₂g·d = 19,62·2,5 = 49,05 J
μ·m₁g·d = 0,2·29,43·2,5 = 14,71 J

Energía cinética de ambos bloques

½(m₁ + m₂)v² = 34,34 → v = √(2·34,34/5) = 3,706 m/s

Respuesta

v = 3,706 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 9,667 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.

Cantidad de movimiento antes

p = M·u = 8·21 = 168 kg·m/s

Cantidad de movimiento después

168 = 2·55 + 6·v′2
v′2 = (168 − 110)/6 = 9,667 m/s

Respuesta

v′2 = 9,667 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v1 = 21,43 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.

Velocidad tras el choque

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0,5·9,81·16,5) = 12,72 m/s

Cantidad de movimiento en el choque

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3200·12,72/1900 = 21,43 m/s

Respuesta

v1 = 21,43 m/s
(77,14 km/h)
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: R = 22,07 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/(2·2,9) = 5,074 rad/s²

Fuerzas verticales

aG = α·L/2 = 7,357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 9·(9,81 − 7,357) = 22,07 N

Respuesta

R = 22,07 N

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

14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 2,442 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 = 3,5·sin 10° = 0,6078 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 + 1)
v = √(2·9,81·0,6078/2) = 2,442 m/s

Respuesta

v = 2,442 m/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 252,6 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

1450·80/450 = 257,8 rpm

Con deslizamiento

n2 = 257,8·0,98 = 252,6 rpm

Respuesta

n2 = 252,6 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 36

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 = 3000·18/45 = 1200 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 30·1200/1000 = 36

Respuesta

ND = 36
17.Muelles y péndulos

Respuesta: g = 11,16 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 = 4π²·2/2,66² = 11,16 m/s²

Respuesta

g = 11,16 m/s²
18.Muelles y péndulos

Respuesta: amax = 2,081 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 = √(110/3,7) = 5,452 rad/s

Aceleración máxima

amax = A·ω² = 0,07·5,452² = 2,081 m/s²

Respuesta

amax = 2,081 m/s²
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 2,147 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 = √(2000/10) = 14,14 rad/s
fn = 14,14/(2π) = 2,251 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,251·√(1 − 0,3²) = 2,147 Hz

Respuesta

fd = 2,147 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 10,07 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 = 10 + 30 = 40 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(40000/10) = 63,25 rad/s
fn = 63,25/(2π) = 10,07 Hz

Respuesta

fn = 10,07 Hz

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