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
policíaa = 4 m/s²coche17 m/s

Un coche que circula a 17 m/s constantes, por encima del límite, adelanta a un coche de policía parado. En ese momento el coche de policía arranca y acelera uniformemente a 4 m/s². ¿Cuánto tarda el coche de policía en alcanzarlo? Halla t.

vcar = 17 m/sapolice = 4 m/s²v0,police = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
t (s)v (m/s)9 s

Un tranvía parte del reposo y acelera a 1 m/s² durante 9 s, después circula a velocidad constante durante 10 s y por último frena a 5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia total s entre las dos paradas.

a1 = 1 m/s²t1 = 9 st2 = 10 sa3 = −5 m/s²
s = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 35°a = ?m = 20 kg

Un bloque de 20 kg baja deslizando por una rampa inclinada 35° 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 = 20 kgθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 1 kg7 kgθ = 40°

Un bloque de 1 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 7 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 = 1 kgm2 = 7 kgθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = ?60°R = 45 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 60° por encima de la horizontal y cae a 45 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad de lanzamiento v0.

θ = 60°R = 45 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 20 mv0​ = 10 m/s45°x = ?

Se lanza una pelota a 45° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 20 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 10 m/sθ = 45°h = 20 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
L = 0,5 m25°

Una bolita sujeta a un hilo de longitud 0,5 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 = 0,5 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,5 mv = ?

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola atada a una cuerda de 0,5 m. Usa g = 9,81 m/s². ¿Cuál es la velocidad mínima vmin en el punto más alto para que la cuerda siga justo tensa?

r = 0,5 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
45°d = 2 mμ = 0,4

Un bloque de 10 kg desliza 2 m por una rampa inclinada 45° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,4. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 10 kgθ = 45°μ = 0,4d = 2 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 4,5 mL = 5 mμ = 0,2k = 5000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 10 kg a una altura de 4,5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 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 = 10 kgh = 4,5 mL = 5 mμ = 0,2k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
4,5 kg5 m/s1,5 kg

Un deslizador de 4,5 kg que se mueve a 5 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 1,5 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′2 del segundo deslizador después del choque.

m1 = 4,5 kgm2 = 1,5 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1200 kgv1​ = ?1700 kg

Un coche de 1200 kg choca con un coche aparcado de 1700 kg. Los restos quedan unidos y derrapan 21,5 m antes de detenerse. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,7. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v1 del primer coche justo antes del choque.

m1 = 1200 kgm2 = 1700 kgd = 21,5 mμ = 0,7g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
ω = ?3 kgL = 1,6 mm = 2,5 kg

Una barra esbelta uniforme de masa 2,5 kg y longitud 1,6 m está articulada por un extremo y se suelta desde el reposo en posición horizontal. Una pequeña bola de masa 3 kg está fijada a su extremo libre. Ignora el rozamiento y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad angular ω de la barra cuando pasa por la posición vertical.

m = 2,5 kgL = 1,6 mmball = 3 kgg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
220 m/s45 g0,53 mL = 0,7 m1 kg

Una barra esbelta uniforme de masa 1 kg y longitud 0,7 m cuelga en reposo de un pivote sin rozamiento en su extremo superior. Una bala de 45 g que se mueve horizontalmente a 220 m/s golpea la barra 0,53 m por debajo del pivote y queda incrustada. Halla la velocidad angular ω de la barra justo después del impacto.

M = 1 kgL = 0,7 mm = 45 gv = 220 m/sd = 0,53 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 125 mmd2​ = 300 mm1440 rpmT1​ = 600 NT2​ = 120 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 125 mm a 1440 rpm. La tensión es de 600 N en el ramal tenso y de 120 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 125 mmn1 = 1440 rpmT1 = 600 NT2 = 120 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 72C = 18D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (12 dientes) del eje de entrada gira a 3000 rpm y acciona la rueda B (72 dientes). La rueda C (18 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 = 3000 rpmA = 12B = 72C = 18nout = 375 rpm
ND =
17.Muelles y péndulosMedia
L = 2,2 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 2,2 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 2,2 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
2,9 kgk = 480 N/mA = 4 cm

Una masa de 2,9 kg unida a un muelle con k = 480 N/m se separa 4 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.

m = 2,9 kgk = 480 N/mA = 4 cm
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 100 kN/mc = 240 N·s/mm = 15 kg

Una masa de 15 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 100 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 240 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 15 kgk = 100 kN/mc = 240 N·s/m
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 15k3​ = 40m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga del muelle k₃ = 40 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 30 kN/m y k₂ = 15 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 = 100 kgk1 = 30 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: t = 8,5 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.

Distancias iguales

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·17/4 = 8,5 s

Respuesta

t = 8,5 s

En ese momento el coche de policía va a 2v = 34 m/s.

2.Cinemática

Respuesta: s = 138,6 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 = 1·9 = 9 m/s

Distancia de cada fase

s1 = ½·1·9² = 40,5 m
s2 = 9·10 = 90 m
s3 = 9²/(2·5) = 8,1 m

Distancia total

s = 40,5 + 90 + 8,1 = 138,6 m

Respuesta

s = 138,6 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 4,02 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° − 0,2·cos 35°) = 9,81·(0,5736 − 0,1638) = 4,02 m/s²

Respuesta

a = 4,02 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 15,75 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 = 68,67 N
m₁·g·sin θ = 6,306 N
μ·m₁·g·cos θ = 1,879 N

Aceleración del sistema

a = (68,67 − 6,306 − 1,879)/8 = 7,561 m/s²

Tensión a partir de la masa colgante

m2·g − T = m2·a → T = 7·(9,81 − 7,561) = 15,75 N

Respuesta

T = 15,75 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: v0 = 22,58 m/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.

Despeja v₀ de la fórmula del alcance

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·45/sin 120°) = 22,58 m/s

Respuesta

v0 = 22,58 m/s
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 20,26 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 = 10·cos 45° = 7,071 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 45° = 7,071 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 20 + 7,071·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7,071 + √(50 + 392,4))/9,81 = 2,865 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 7,071·2,865 = 20,26 m

Respuesta

x = 20,26 m
7.Movimiento circular

Respuesta: T = 1,35 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 = 0,5·sin 25° = 0,2113 m

Rapidez

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0,2113·9,81·tan 25°) = 0,9832 m/s

Periodo

T = 2π·r/v = 2π·0,2113/0,9832 = 1,35 s

Respuesta

T = 1,35 s
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 2,215 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.

Tensión nula en el punto más alto

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·0,5) = 2,215 m/s

Respuesta

vmin = 2,215 m/s
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 55,49 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 = 98,1·0,7071 = 69,37 N
F = μN = 0,4·69,37 = 27,75 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 27,75·2 = 55,49 J

Respuesta

Wf = 55,49 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 37,06 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 = 98,1·(4,5 − 0,2·5) = 343,4 J

Compresión máxima

½kx² = 343,4 → x = √(2·343,4/5000) = 0,3706 m = 37,06 cm

Respuesta

x = 37,06 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 7,5 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 − 1,5)/(4,5 + 1,5)·5 = 2,5 m/s
v′2 = 2·4,5/(4,5 + 1,5)·5 = 7,5 m/s

Respuesta

v′2 = 7,5 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v1 = 41,53 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) = √(2·0,7·9,81·21,5) = 17,18 m/s

Cantidad de movimiento en el choque

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2900·17,18/1200 = 41,53 m/s

Respuesta

v1 = 41,53 m/s
(149,5 km/h)
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 3,687 rad/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.

Pérdida de energía potencial

m·g·L/2 + mball·g·L = 2,5·9,81·0,8 + 3·9,81·1,6 = 66,71 J

Momento de inercia respecto al pasador

IO = m·L²/3 + mball·L² = 2,133 + 7,68 = 9,813 kg·m²

Balance de energía

½·IO·ω² = 66,71 → ω = √(2·66,71/9,813) = 3,687 rad/s

Respuesta

ω = 3,687 rad/s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 29,82 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 = 1·0,7²/3 + 0,045·0,53² = 0,176 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 = 0,045·220·0,53/0,176 = 29,82 rad/s

Respuesta

ω = 29,82 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 4,524 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 = 9,425 m/s

Potencia

P = (600 − 120)·9,425 = 4524 W = 4,524 kW

Respuesta

P = 4,524 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 24

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 = 3000·12/72 = 500 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 18·500/375 = 24

Respuesta

ND = 24
17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 2,975 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·√(2,2/9,81) = 2,975 s

Respuesta

T = 2,975 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: vmax = 0,5146 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 = √(480/2,9) = 12,87 rad/s

Velocidad máxima

vmax = A·ω = 0,04·12,87 = 0,5146 m/s

Respuesta

vmax = 0,5146 m/s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,09798

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·√(100000·15) = 2449 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 240/2449 = 0,09798

Respuesta

ζ = 0,09798

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

20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,316 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 = 30 + 15 = 45 kN/m
keq = 45·40/(45 + 40) = 21,18 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(21176/100) = 14,55 rad/s
fn = 14,55/(2π) = 2,316 Hz

Respuesta

fn = 2,316 Hz

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