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
a = ?s = 1400 m

Un avión necesita una velocidad de 300 km/h para despegar y la pista útil mide 1400 m. Partiendo del reposo, ¿qué aceleración constante a necesita?

v₀ = 0v = 300 km/hs = 1400 m
a = m/s²
2.CinemáticaDifícil
t (s)v (m/s)9 s

Un tranvía parte del reposo y acelera a 1,5 m/s² durante 9 s, después circula a velocidad constante durante 30 s y por último frena a 5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia total s entre las dos paradas.

a1 = 1,5 m/s²t1 = 9 st2 = 30 sa3 = −5 m/s²
s = m
3.Leyes de NewtonMedia
8,5 kg2,5 kg

Dos masas de 8,5 kg y 2,5 kg cuelgan a ambos lados de una polea ligera y sin rozamiento, unidas por un hilo ligero. El sistema se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de las masas.

m1 = 8,5 kgm2 = 2,5 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
θ = 20°bloquev₀ = 11,5 m/s

Se da un empujón a un bloque de modo que empieza a subir por una rampa de 20° con una velocidad de 11,5 m/s. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué distancia d recorre por la rampa antes de detenerse?

v₀ = 11,5 m/sθ = 20°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
d = m
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 34 m/s25°alcance

Se lanza una pelota a 25° 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 = 34 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 40 mv0​ = 25 m/s45°x = ?

Se lanza una pelota a 45° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 40 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 25 m/sθ = 45°h = 40 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
L = 1,9 m25°

Una bolita sujeta a un hilo de longitud 1,9 m describe una circunferencia horizontal de modo que el hilo forma un ángulo constante de 25° con la vertical (un péndulo cónico). Usa g = 9,81 m/s². Halla el tiempo T que tarda en dar una vuelta.

L = 1,9 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Movimiento circularDifícil
θ = 8°hacia el centrovmin​ = ?

Una curva de radio 270 m tiene un peralte de 8°, y el coeficiente de rozamiento estático entre neumáticos y carretera es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad mínima vmin a la que un coche puede tomar la curva sin deslizar hacia abajo por el peralte.

r = 270 mθ = 8°μs = 0,1g = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
90 km/h

Un coche que circula a 90 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 0,6. Halla la distancia de frenado d.

v = 90 km/hμ = 0,6g = 9,81 m/s²
d = m
10.Trabajo y energíaDifícil
F = 80 N25°μ = 0,1510 kg

Un bloque de 10 kg parte del reposo al pie de una pendiente de 25° y se tira de él pendiente arriba con una fuerza constante de 80 N paralela a la pendiente. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,15. Halla la velocidad v del bloque tras recorrer 7 m pendiente arriba.

m = 10 kgF = 80 Nθ = 25°μ = 0,15d = 7 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
0,5 kg4 m/s3 kg

Un deslizador de 0,5 kg que se mueve a 4 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 3 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 = 0,5 kgm2 = 3 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
20 m/s18 m/s

Una pelota de 0,55 kg golpea una pared a 20 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 18 m/s. El contacto dura 20 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,55 kgvin = 20 m/svout = 18 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 1500 rpmTb​ = 115 N·mI = 34 kg·m²

Un volante de inercia con un momento de inercia de 34 kg·m² gira a 1500 rpm. Un freno aplica un par de rozamiento constante de 115 N·m. ¿Cuánto tiempo t tarda en detenerse?

I = 34 kg·m²n = 1500 rpmTb = 115 N·m
t = s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 30°vs = 2,5 m

Un cuerpo (cilindro macizo) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 30° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla su velocidad v después de haber rodado 2,5 m a lo largo de la pendiente.

θ = 30°s = 2,5 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 80 mmd2​ = 200 mm1500 rpmT1​ = 500 NT2​ = 150 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 80 mm a 1500 rpm. La tensión es de 500 N en el ramal tenso y de 150 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmT1 = 500 NT2 = 150 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm1500 rpmC = 1200 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 80 mm a 1500 rpm con una polea de 250 mm; los centros están separados 1200 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,3 y la tensión del ramal tenso no puede superar 600 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmd2 = 250 mmC = 1200 mmμ = 0,3T1 = 600 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
t (s)x (cm)1,2 s

Una masa de 1,4 kg unida a un muelle con k = 360 N/m se desplaza 4 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su desplazamiento x respecto al equilibrio en t = 1,2 s (con signo).

m = 1,4 kgk = 360 N/mA = 4 cmt = 1,2 s
x = cm
18.Muelles y péndulosDifícil
1,8 kgk = 470 N/mA = 9 cm

Una masa de 1,8 kg unida a un muelle con k = 470 N/m se separa 9 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.

m = 1,8 kgk = 470 N/mA = 9 cm
amax = m/s²
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx20 mm3 ciclos6,4 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 20 mm le sigue 3 ciclos después un pico de 6,4 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 20 mmx3 = 6,4 mmn = 3
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 80m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 25 kN/m y el inferior k₂ = 80 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 5 kgk1 = 25 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: a = 2,48 m/s²

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

v = 300/3,6 = 83,33 m/s

Aceleración

a = v²/(2s) = 83,33²/(2·1400) = 2,48 m/s²

Respuesta

a = 2,48 m/s²
2.Cinemática

Respuesta: s = 484 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.

Velocidad máxima

v = a1·t1 = 1,5·9 = 13,5 m/s

Distancia de cada fase

s1 = ½·1,5·9² = 60,75 m
s2 = 13,5·30 = 405 m
s3 = 13,5²/(2·5) = 18,23 m

Distancia total

s = 60,75 + 405 + 18,23 = 484 m

Respuesta

s = 484 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 5,351 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.

Aceleración

La fuerza motriz neta es la diferencia de los pesos; mueve la masa total.

a = (8,5 − 2,5)·9,81/(8,5 + 2,5) = 5,351 m/s²

Respuesta

a = 5,351 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: d = 10,8 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° + 0,3·cos 20°) = 6,121 m/s²

Distancia

d = v₀²/(2a) = 11,5²/(2·6,121) = 10,8 m

Respuesta

d = 10,8 m
5.Tiro parabólico

Respuesta: t = 2,929 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 25° = 30,81 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 25° = 14,37 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·14,37/9,81 = 2,929 s

Respuesta

t = 2,929 s
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 91,55 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 = 25·cos 45° = 17,68 m/s
vy = v0·sin θ = 25·sin 45° = 17,68 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 40 + 17,68·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (17,68 + √(312,5 + 784,8))/9,81 = 5,179 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 17,68·5,179 = 91,55 m

Respuesta

x = 91,55 m
7.Movimiento circular

Respuesta: T = 2,632 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.

Radio de la circunferencia

r = L·sin θ = 1,9·sin 25° = 0,803 m

Rapidez

La tensión y la gravedad juntas dan la fuerza hacia el centro: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(0,803·9,81·tan 25°) = 1,917 m/s

Periodo

T = 2π·r/v = 2π·0,803/1,917 = 2,632 s

Respuesta

T = 2,632 s
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 10,29 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 arriba.

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

Rapidez

v = √(270·9,81·0,04015/1,004) = 10,29 m/s

Respuesta

vmin = 10,29 m/s
(37,05 km/h)
9.Trabajo y energía

Respuesta: d = 53,09 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 = 90/3,6 = 25 m/s

Balance de energía

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 25²/(2·0,6·9,81) = 53,09 m

Respuesta

d = 53,09 m

Duplicar la velocidad cuadruplica la distancia de frenado.

10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 5,94 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).

Fuerzas a lo largo de la rampa

m·g = 10·9,81 = 98,1 N
mg·sin θ = 41,46 N
μ·mg·cos θ = 13,34 N

Trabajo y energía

½mv² = (80 − 54,8)·7 = 176,4 J
v = √(2·176,4/10) = 5,94 m/s

Respuesta

v = 5,94 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = −2,857 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 = (0,5 − 3)/(0,5 + 3)·4 = −2,857 m/s
v′2 = 2·0,5/(0,5 + 3)·4 = 1,143 m/s

Respuesta

v′1 = −2,857 m/s

El signo menos significa que el primer deslizador rebota hacia atrás.

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 1045 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 = 0,55·(18 + 20) = 20,9 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 20,9/0,02 = 1045 N

Respuesta

Favg = 1045 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: t = 46,44 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·1500/60 = 157,1 rad/s

Deceleración y tiempo

α = Tb/I = 115/34 = 3,382 rad/s²
t = ω/α = 157,1/3,382 = 46,44 s

Respuesta

t = 46,44 s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 4,044 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 = 2,5·sin 30° = 1,25 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 + 0,5)
v = √(2·9,81·1,25/1,5) = 4,044 m/s

Respuesta

v = 4,044 m/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,199 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 = 6,283 m/s

Potencia

P = (500 − 150)·6,283 = 2199 W = 2,199 kW

Respuesta

P = 2,199 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,237 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.

Ángulo de contacto

θ = 3 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,8999 = 2,459, T₂ = 600/2,459 = 244 N

Potencia

P = (600 − 244)·6,283 = 2,237 kW

Respuesta

P = 2,237 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: x = 3,695 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.

Frecuencia angular

ω = √(360/1,4) = 16,04 rad/s
ω·t = 16,04·1,2 = 19,24 rad

Desplazamiento

x = A·cos(ω·t) = 4·cos(19,24) = 3,695 cm

Respuesta

x = 3,695 cm
18.Muelles y péndulos

Respuesta: amax = 23,5 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 = √(470/1,8) = 16,16 rad/s

Aceleración máxima

amax = A·ω² = 0,09·16,16² = 23,5 m/s²

Respuesta

amax = 23,5 m/s²
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,06034

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(20/6,4) = 0,3798

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3798/√(39,48 + 0,1443) = 0,06034

Respuesta

ζ = 0,06034
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 9,823 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 en serie soportan la misma fuerza y suman sus deformaciones, así que se combinan como inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/25 + 1/80 → keq = 25·80/(25 + 80) = 19,05 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(19048/5) = 61,72 rad/s
fn = 61,72/(2π) = 9,823 Hz

Respuesta

fn = 9,823 Hz

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