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 = ?27,78

Un coche que circula a 100 km/h frena con una deceleración constante de 6,5 m/s² hasta detenerse. ¿Cuánto dura la frenada? Halla t.

v₀ = 100 km/ha = −6,5 m/s²v = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 6 m/s15 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 6 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. ¿Cuánto tiempo después del lanzamiento llega al suelo? Halla t.

v₀ = 6 m/sh₀ = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
cajav₀ = 4 m/sμ = ?

Una caja desliza por un suelo horizontal con una velocidad inicial de 4 m/s y se detiene tras 8,2 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla el coeficiente de rozamiento dinámico μ.

v₀ = 4 m/sd = 8,2 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 9 kg5 kgμ = 0,1

Un bloque de 9 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 5 kg. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la mesa es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 9 kgm2 = 5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 28 m/s20°alcanceH = ?

Se lanza una pelota a 20° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la altura máxima H que alcanza la pelota.

v0 = 28 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 30 mv0​ = 29 m/s40°x = ?

Se lanza una pelota a 40° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 30 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 29 m/sθ = 40°h = 30 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
L = 1,6 m35°

Una bolita sujeta a un hilo de longitud 1,6 m describe una circunferencia horizontal de modo que el hilo forma un ángulo constante de 35° con la vertical (un péndulo cónico). Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bola.

L = 1,6 mθ = 35°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Movimiento circularDifícil
θ = 30°hacia el centrovmin​ = ?

Una curva de radio 220 m tiene un peralte de 30°, y el coeficiente de rozamiento estático entre neumáticos y carretera es 0,3. 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 = 220 mθ = 30°μs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
20°d = 10 mμ = 0,1

Un bloque de 5 kg desliza 10 m por una rampa inclinada 20° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,1. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 5 kgθ = 20°μ = 0,1d = 10 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 1 mL = 2,5 mμ = 0,25k = 2000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 1 kg a una altura de 1 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 2,5 m (μ = 0,25) y después choca contra un muelle (k = 2000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la velocidad v del bloque cuando llega al muelle.

m = 1 kgh = 1 mL = 2,5 mμ = 0,25k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
3 kg81 m/s1 kgv′2​ = ?

Un proyectil de 4 kg que se mueve horizontalmente a 39 m/s explota en dos fragmentos que se mueven a lo largo de la misma recta. El fragmento de 3 kg sigue hacia delante a 81 m/s. Halla la velocidad v′2 del fragmento de 1 kg (positiva en el sentido original).

M = 4 kgu = 39 m/sm1 = 3 kgv′1 = 81 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
28 m/s6 m/s

Una pelota de 0,45 kg golpea una pared a 28 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 6 m/s. El contacto dura 10 ms. Halla el módulo del impulso J que la pared ejerce sobre la pelota.

m = 0,45 kgvin = 28 m/svout = 6 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
ω = ?L = 2,1 mm = 9,5 kg

Una barra esbelta uniforme de masa 9,5 kg y longitud 2,1 m está articulada por un extremo y se suelta desde el reposo en posición horizontal. 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 = 9,5 kgL = 2,1 mg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
2,5 m/sω

Un cuerpo (esfera maciza) de masa 10 kg rueda sin deslizar a 2,5 m/s. Halla su energía cinética total Ek.

m = 10 kgv = 2,5 m/sI = (2/5)·m·r²
Ek = J
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 20N2​ = 32

Un motor de 1,5 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 20 dientes, que engrana con una rueda de 32 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 1,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 20N2 = 32η = 100%
T1 = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm960 rpmC = 1200 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 150 mm a 960 rpm con una polea de 300 mm; los centros están separados 1200 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,3 y la tensión del ramal tenso no puede superar 1200 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 150 mmn1 = 960 rpmd2 = 300 mmC = 1200 mmμ = 0,3T1 = 1200 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
L = 2,3 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 2,3 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 2,3 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
1,5 kgk = 180 N/mA = 5 cm

Una masa de 1,5 kg unida a un muelle con k = 180 N/m se separa 5 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.

m = 1,5 kgk = 180 N/mA = 5 cm
E = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 20 kN/mc = 1010 N·s/mm = 80 kg

Una masa de 80 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 20 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 1010 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 80 kgk = 20 kN/mc = 1010 N·s/m
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 60k2​ = 60m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 60 kN/m y k₂ = 60 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 = 40 kgk1 = 60 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: t = 4,274 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 = 100/3,6 = 27,78 m/s

Tiempo de frenado

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 27,78/6,5 = 4,274 s

Respuesta

t = 4,274 s
2.Cinemática

Respuesta: t = 2,464 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.

Ecuación del movimiento

Hacia arriba es positivo y el suelo está h₀ por debajo del punto de partida.

−15 = 6·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 6·t − 15 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (6 + √(6² + 2·9,81·15))/9,81 = 2,464 s

Respuesta

t = 2,464 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: μ = 0,09945

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

a = v₀²/(2d) = 4²/(2·8,2) = 0,9756 m/s²

Coeficiente de rozamiento

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0,9756/9,81 = 0,09945

Respuesta

μ = 0,09945
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 34,69 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.

Aceleración del sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (49,05 − 8,829)/14 = 2,873 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 9·2,873 + 8,829 = 34,69 N

Respuesta

T = 34,69 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: H = 4,674 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 = 28·cos 20° = 26,31 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 20° = 9,577 m/s

Punto más alto

En lo más alto la velocidad vertical es cero: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 9,577²/(2·9,81) = 4,674 m

Respuesta

H = 4,674 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 111,5 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 = 29·cos 40° = 22,22 m/s
vy = v0·sin θ = 29·sin 40° = 18,64 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 30 + 18,64·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (18,64 + √(347,5 + 588,6))/9,81 = 5,019 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 22,22·5,019 = 111,5 m

Respuesta

x = 111,5 m
7.Movimiento circular

Respuesta: v = 2,511 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.

Radio de la circunferencia

r = L·sin θ = 1,6·sin 35° = 0,9177 m

Rapidez

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0,9177·9,81·tan 35°) = 2,511 m/s

Respuesta

v = 2,511 m/s
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 22,59 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 = √(220·9,81·0,2402/1,016) = 22,59 m/s

Respuesta

vmin = 22,59 m/s
(81,32 km/h)
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 46,09 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 = 49,05·0,9397 = 46,09 N
F = μN = 0,1·46,09 = 4,609 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 4,609·10 = 46,09 J

Respuesta

Wf = 46,09 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 2,712 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 tras la franja rugosa

La rampa es lisa, así que solo la franja quita energía.

mgh − μmgL = 9,81·(1 − 0,25·2,5) = 3,679 J

Velocidad al llegar al muelle

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·0,375) = 2,712 m/s

Respuesta

v = 2,712 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = −87 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 = 4·39 = 156 kg·m/s

Cantidad de movimiento después

156 = 3·81 + 1·v′2
v′2 = (156 − 243)/1 = −87 m/s

Respuesta

v′2 = −87 m/s

El signo menos significa que el segundo fragmento sale despedido hacia atrás.

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: J = 15,3 N·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.

Variación de la cantidad de movimiento

J = m·Δv = 0,45·(6 + 28) = 15,3 N·s

Respuesta

J = 15,3 N·s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 3,744 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 = 9,5·9,81·1,05 = 97,85 J

Momento de inercia respecto al pasador

IO = m·L²/3 = 9,5·2,1²/3 = 13,97 kg·m²

Balance de energía

½·IO·ω² = 97,85 → ω = √(2·97,85/13,97) = 3,744 rad/s

Respuesta

ω = 3,744 rad/s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: Ek = 43,75 J

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.

Partes de traslación y de rotación

Etrans = ½·m·v² = ½·10·2,5² = 31,25 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,4·m·r²·(v/r)² = 0,4·31,25 = 12,5 J

Total

Ek = 31,25 + 12,5 = 43,75 J

Respuesta

Ek = 43,75 J
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 9,879 N·m

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.

Par del motor

ω₁ = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/151,8 = 9,879 N·m

Respuesta

T1 = 9,879 N·m
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 5,387 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 = 3,017 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,905 = 2,472, T₂ = 1200/2,472 = 485,5 N

Potencia

P = (1200 − 485,5)·7,54 = 5,387 kW

Respuesta

P = 5,387 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 3,042 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·√(2,3/9,81) = 3,042 s

Respuesta

T = 3,042 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: E = 0,225 J

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 = √(180/1,5) = 10,95 rad/s

Energía

E = ½·k·A² = ½·180·0,05² = 0,225 J

Respuesta

E = 0,225 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,3992

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·√(20000·80) = 2530 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 1010/2530 = 0,3992

Respuesta

ζ = 0,3992

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

20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 8,717 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 = 60 + 60 = 120 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(120000/40) = 54,77 rad/s
fn = 54,77/(2π) = 8,717 Hz

Respuesta

fn = 8,717 Hz

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