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)1,1 s30

Una conductora que circula a 108 km/h ve un obstáculo. Su tiempo de reacción es 1,1 s, tras el cual el coche frena con una deceleración constante de 4 m/s². Halla la distancia total de detención d desde el momento en que ve el obstáculo.

v₀ = 108 km/htr = 1,1 sa = −4 m/s²
d = m
2.CinemáticaDifícil
t (s)v (m/s)8 s

Un tranvía parte del reposo y acelera a 2 m/s² durante 8 s, después circula a velocidad constante durante 11 s y por último frena a 2,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia total s entre las dos paradas.

a1 = 2 m/s²t1 = 8 st2 = 11 sa3 = −2,5 m/s²
s = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 35°a = ?m = 5 kg

Un bloque de 5 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 = 5 kgθ = 35°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
7 kg10 kgTF = 115 Nμ = 0,1

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 115 N tira del bloque delantero de 10 kg; el bloque de 7 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de los bloques.

m1 = 7 kgm2 = 10 kgF = 115 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 38 m/sθ = ?R = 130 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 38 m/s y debe caer a 130 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla el menor de los dos ángulos de lanzamiento posibles θ.

v₀ = 38 m/sR = 130 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 20 mv0​ = 11 m/s20°alcance

Se lanza una pelota a 20° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 20 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 11 m/sθ = 20°h = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimiento circularMedia
r = 60 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 60 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 = 60 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
R = 7 mh = ?

Una vagoneta pequeña se suelta desde el reposo sobre una pista sin rozamiento y entra en un rizo vertical de radio 7 m. ¿Desde qué altura mínima hmin sobre la parte inferior del rizo debe partir para no separarse de la pista en lo más alto del rizo?

R = 7 mv₀ = 0
hmin = m
9.Trabajo y energíaMedia
25°d = 11 mμ = 0,1

Un bloque de 2 kg desliza 11 m por una rampa inclinada 25° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,1. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 2 kgθ = 25°μ = 0,1d = 11 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 3,5 mR = 1 mN = ?

Una vagoneta de 1 kg se suelta desde el reposo a una altura de 3,5 m sobre una pista lisa que conduce a un rizo circular vertical de radio 1 m. Halla la fuerza normal N que ejerce la pista sobre la vagoneta en lo más alto del rizo.

m = 1 kgh = 3,5 mR = 1 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
4,5 kg12 m/s2 kg

Un deslizador de 4,5 kg que se mueve a 12 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 2 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′2 del segundo deslizador después del choque.

m1 = 4,5 kgm2 = 2 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1 kgv = ?8 g40°L = 0,6 m

Una bala de 8 g se dispara horizontalmente contra un bloque de 1 kg que cuelga de hilos ligeros de 0,6 m de longitud, y se queda incrustada en él. Los hilos oscilan hasta un ángulo máximo de 40° con la vertical. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 8 gM = 1 kgL = 0,6 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
4 kgaαM = 4,5 kgR = 0,1 m

Un bloque de 4 kg cuelga de una cuerda ligera enrollada en una polea, un disco macizo uniforme de masa 4,5 kg y radio 0,1 m que gira sobre un eje horizontal sin rozamiento. El bloque se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque.

m = 4 kgM = 4,5 kgR = 0,1 mg = 9,81 m/s²
a = m/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
0,6 m0,15 mn1​ = 30 rpm

Una persona está de pie sobre un plato giratorio sin rozamiento y sostiene una pesa de 4 kg en cada mano, a 0,6 m del eje. La persona y el plato solos tienen un momento de inercia de 5 kg·m² respecto al eje. Giran a 30 rpm y luego acercan las pesas hasta 0,15 m del eje. Trata las pesas como masas puntuales. Halla la nueva velocidad n2 en rpm.

I0 = 5 kg·m²m = 2 × 4 kgr1 = 0,6 mr2 = 0,15 mn1 = 30 rpm
n2 = rpm
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 150 mmd2​ = 500 mm1450 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 450 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 150 mm a 1450 rpm. La tensión es de 1500 N en el ramal tenso y de 450 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 150 mmn1 = 1450 rpmT1 = 1500 NT2 = 450 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 60C = 30D = 72

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (12 dientes), en el eje de entrada que gira a 1440 rpm, acciona el engranaje B (60 dientes). El engranaje C (30 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (72 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1440 rpmA = 12B = 60C = 30D = 72
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = 0,3 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 0,3 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 0,3 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
3,4 kgk = 170 N/mA = 11 cm

Una masa de 3,4 kg unida a un muelle con k = 170 N/m se separa 11 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.

m = 3,4 kgk = 170 N/mA = 11 cm
amax = m/s²
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 15 kN/mc = 160 N·s/mm = 20 kg

Una masa de 20 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 15 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 160 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 20 kgk = 15 kN/mc = 160 N·s/m
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 25k3​ = 100m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga del muelle k₃ = 100 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 15 kN/m y k₂ = 25 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 = 5 kgk1 = 15 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 145,5 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 = 108/3,6 = 30 m/s

Distancia de reacción

d1 = v₀·tr = 30·1,1 = 33 m

Distancia de frenado

d2 = v₀²/(2a) = 30²/(2·4) = 112,5 m

Total

d = 33 + 112,5 = 145,5 m

Respuesta

d = 145,5 m
2.Cinemática

Respuesta: s = 291,2 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 = 2·8 = 16 m/s

Distancia de cada fase

s1 = ½·2·8² = 64 m
s2 = 16·11 = 176 m
s3 = 16²/(2·2,5) = 51,2 m

Distancia total

s = 64 + 176 + 51,2 = 291,2 m

Respuesta

s = 291,2 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: a = 5,784 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) = (115 − 16,68)/17 = 5,784 m/s²

Respuesta

a = 5,784 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: θ = 31,01 °

Tiro parabólico: sin resistencia del aire, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². Las dos direcciones son independientes, salvo que comparten el mismo tiempo.

Fórmula del alcance

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·130/38² = 0,8832

Ángulo

2θ = 62,03° → θ = 31,01°

Respuesta

θ = 31,01°

La otra solución es 90° − θ = 58,99°.

6.Tiro parabólico

Respuesta: t = 2,439 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 = 11·cos 20° = 10,34 m/s
vy = v0·sin θ = 11·sin 20° = 3,762 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 20 + 3,762·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (3,762 + √(14,15 + 392,4))/9,81 = 2,439 s

Respuesta

t = 2,439 s
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 18,79 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) = √(0,6·9,81·60) = 18,79 m/s

Respuesta

vmax = 18,79 m/s (67,65 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: hmin = 17,5 m

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.

Condición en lo más alto

m·g = m·v²/R → v² = g·R

Conservación de la energía

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2,5·R = 2,5·7 = 17,5 m

Respuesta

hmin = 17,5 m
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 19,56 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 = 19,62·0,9063 = 17,78 N
F = μN = 0,1·17,78 = 1,778 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 1,778·11 = 19,56 J

Respuesta

Wf = 19,56 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: N = 19,62 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 en lo más alto

v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(3,5 − 2) = 29,43 m²/s²

Fuerzas en lo más alto

m·g = 1·9,81 = 9,81 N
N = mv²/R − mg = 1·29,43/1 − 9,81 = 19,62 N

Respuesta

N = 19,62 N

La vagoneta completa el rizo justo cuando h = 2,5R; entonces N = 0 en lo más alto.

11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 16,62 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 = (4,5 − 2)/(4,5 + 2)·12 = 4,615 m/s
v′2 = 2·4,5/(4,5 + 2)·12 = 16,62 m/s

Respuesta

v′2 = 16,62 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 209,1 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.

Subida del bloque

h = L·(1 − cos θ) = 0,6·(1 − cos 40°) = 0,1404 m

Velocidad tras el impacto

V = √(2·9,81·0,1404) = 1,66 m/s

Choque

v = (m + M)·V/m = 1,008·1,66/0,008 = 209,1 m/s

Respuesta

v = 209,1 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: a = 6,278 m/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.

Bloque y polea

bloque: m·g − T = m·a
polea: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Aceleración

a = m·g/(m + M/2) = 4·9,81/(4 + 2,25) = 6,278 m/s²

Respuesta

a = 6,278 m/s²
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: n2 = 45,64 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 = 5 + 2·4·0,6² = 7,88 kg·m²
I2 = 5 + 2·4·0,15² = 5,18 kg·m²

Conservación del momento angular

n2 = n1·I1/I2 = 30·7,88/5,18 = 45,64 rpm

Respuesta

n2 = 45,64 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: P = 11,96 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 = 11,39 m/s

Potencia

P = (1500 − 450)·11,39 = 11958 W = 11,96 kW

Respuesta

P = 11,96 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 120 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 = 1440·12/60 = 288 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 288·30/72 = 120 rpm

Respuesta

nout = 120 rpm

relación total = 12 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 1,099 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.

Periodo del péndulo

T = 2π·√(0,3/9,81) = 1,099 s

Respuesta

T = 1,099 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: amax = 5,5 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 = √(170/3,4) = 7,071 rad/s

Aceleración máxima

amax = A·ω² = 0,11·7,071² = 5,5 m/s²

Respuesta

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

Respuesta: ζ = 0,1461

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.

Amortiguamiento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(15000·20) = 1095 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 160/1095 = 0,1461

Respuesta

ζ = 0,1461

ζ < 1, así que el sistema es subamortiguado y oscila mientras se amortigua.

20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 12,03 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 = 15 + 25 = 40 kN/m
keq = 40·100/(40 + 100) = 28,57 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(28571/5) = 75,59 rad/s
fn = 75,59/(2π) = 12,03 Hz

Respuesta

fn = 12,03 Hz

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