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)2,273 s12,5

Un coche que circula a 45 km/h frena con una deceleración constante de 5,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 45 km/ha = −5,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 16 m/s10 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 16 m/s desde el borde de un tejado situado a 10 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 = 16 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 20°a = ?m = 2 kg

Un bloque de 2 kg baja deslizando por una rampa inclinada 20° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 2 kgθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
1 kg8 kgTF = 110 Nμ = 0,3

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 110 N tira del bloque delantero de 8 kg; el bloque de 1 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de los bloques.

m1 = 1 kgm2 = 8 kgF = 110 Nμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
40 my = ?v0​ = 24 m/s40°

Se chuta una pelota desde un terreno horizontal a 24 m/s y 40° por encima de la horizontal hacia una pared situada a 40 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura y pasa la pelota por la pared?

v₀ = 24 m/sθ = 40°x = 40 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 5 mv0​ = 13 m/s55°α = ?

Se lanza una pelota a 13 m/s y 55° por encima de la horizontal desde lo alto de un acantilado de 5 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿Con qué ángulo α por debajo de la horizontal llega al suelo?

v₀ = 13 m/sθ = 55°h = 5 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Movimiento circularMedia
L = 0,8 m30°

Una bolita sujeta a un hilo de longitud 0,8 m describe una circunferencia horizontal de modo que el hilo forma un ángulo constante de 30° con la vertical (un péndulo cónico). Usa g = 9,81 m/s². Halla el tiempo T que tarda en dar una vuelta.

L = 0,8 mθ = 30°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Movimiento circularDifícil
θ = 30°hacia el centrovmax​ = ?

Una curva de radio 50 m tiene un peralte de 30°, y el coeficiente de rozamiento estático entre neumáticos y carretera es 0,15. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que un coche puede tomar la curva sin deslizar hacia arriba y hacia fuera.

r = 50 mθ = 30°μs = 0,15g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
35°d = 8 mμ = 0,2

Un bloque de 2,5 kg desliza 8 m por una rampa inclinada 35° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,2. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 2,5 kgθ = 35°μ = 0,2d = 8 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
2 kg4 kgμ = 0,15d = 2,5 m

Un bloque de 2 kg descansa sobre una mesa horizontal rugosa (μ = 0,15). Un hilo ligero va desde él, pasando por una polea lisa en el borde de la mesa, hasta un bloque colgante de 4 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 = 2 kgm2 = 4 kgμ = 0,15d = 2,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
1 kg4 m/s3,5 kg

Un deslizador de 1 kg que se mueve a 4 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 3,5 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′2 del segundo deslizador después del choque.

m1 = 1 kgm2 = 3,5 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
2 kgv = ?8 g20°L = 1,2 m

Una bala de 8 g se dispara horizontalmente contra un bloque de 2 kg que cuelga de hilos ligeros de 1,2 m de longitud, y se queda incrustada en él. Los hilos oscilan hasta un ángulo máximo de 20° con la vertical. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 8 gM = 2 kgL = 1,2 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
0 → 1100 rpmI = 21 kg·m²

Un motor lleva un volante de inercia con un momento de inercia de 21 kg·m² desde el reposo hasta 1100 rpm en 5 s. Sin tener en cuenta las pérdidas, halla la potencia media Pavg que entrega, en kW.

I = 21 kg·m²n = 1100 rpmt = 5 s
Pavg = kW
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
140 m/s45 g0,97 mL = 1,3 m2 kgφ

Una barra esbelta uniforme de masa 2 kg y longitud 1,3 m cuelga en reposo de un pivote sin rozamiento en su extremo superior. Una bala de 45 g que se mueve horizontalmente a 140 m/s golpea la barra 0,97 m por debajo del pivote y queda incrustada. Usa g = 9,81 m/s². Halla el mayor ángulo φ respecto a la vertical que alcanza la barra al oscilar.

M = 2 kgL = 1,3 mm = 45 gv = 140 m/sd = 0,97 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 150 mmd2​ = 200 mm1500 rpmn2​ = ?

Una polea de 150 mm a 1500 rpm acciona una polea de 200 mm mediante una correa con un 2,5 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1500 rpmd1 = 150 mmd2 = 200 mms = 2,5 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm1500 rpmC = 500 mmT1​ = 1200 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 500 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 = 80 mmn1 = 1500 rpmd2 = 250 mmC = 500 mmμ = 0,3T1 = 1200 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
L = 1,1 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 1,1 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 1,1 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
2,1 kgk = 440 N/mA = 16 cm

Una masa de 2,1 kg unida a un muelle con k = 440 N/m se separa 16 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.

m = 2,1 kgk = 440 N/mA = 16 cm
E = J
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​ = 50k2​ = 10m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 50 kN/m y el inferior k₂ = 10 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 40 kgk1 = 50 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 14,2 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.

Unidades

v₀ = 45/3,6 = 12,5 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·5,5) = 14,2 m

Respuesta

s = 14,2 m
2.Cinemática

Respuesta: t = 3,799 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.

−10 = 16·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 16·t − 10 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (16 + √(16² + 2·9,81·10))/9,81 = 3,799 s

Respuesta

t = 3,799 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 1,051 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 20° − 0,25·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,2349) = 1,051 m/s²

Respuesta

a = 1,051 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 9,279 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) = (110 − 26,49)/9 = 9,279 m/s²

Respuesta

a = 9,279 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: y = 10,35 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.

Tiempo hasta la pared

vx = 24·cos 40° = 18,39 m/s
t = x/vx = 40/18,39 = 2,176 s

Altura en ese instante

y = 15,43·2,176 − ½·9,81·2,176² = 10,35 m

Respuesta

y = 10,35 m

En la pared la pelota ya está bajando.

6.Tiro parabólico

Respuesta: α = 62,85 °

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

vx = 13·cos 55° = 7,456 m/s
vy0 = 13·sin 55° = 10,65 m/s

Velocidad vertical en el impacto

Energía, o v² = v₀² + 2as en la dirección vertical.

vy = √(10,65² + 2·9,81·5) = 14,54 m/s

Ángulo de impacto

tan α = vy/vx = 14,54/7,456 → α = 62,85°

Respuesta

α = 62,85°
7.Movimiento circular

Respuesta: T = 1,67 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 = 0,8·sin 30° = 0,4 m

Rapidez

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0,4·9,81·tan 30°) = 1,505 m/s

Periodo

T = 2π·r/v = 2π·0,4/1,505 = 1,67 s

Respuesta

T = 1,67 s
8.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 19,76 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 abajo.

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

Rapidez

v = √(50·9,81·0,6299/0,791) = 19,76 m/s

Respuesta

vmax = 19,76 m/s
(71,15 km/h)
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 32,14 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 = 24,53·0,8192 = 20,09 N
F = μN = 0,2·20,09 = 4,018 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 4,018·8 = 32,14 J

Respuesta

Wf = 32,14 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 5,5 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 = 39,24·2,5 = 98,1 J
μ·m₁g·d = 0,15·19,62·2,5 = 7,357 J

Energía cinética de ambos bloques

½(m₁ + m₂)v² = 90,74 → v = √(2·90,74/6) = 5,5 m/s

Respuesta

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

Respuesta: v′2 = 1,778 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 = (1 − 3,5)/(1 + 3,5)·4 = −2,222 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 3,5)·4 = 1,778 m/s

Respuesta

v′2 = 1,778 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 299,1 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) = 1,2·(1 − cos 20°) = 0,07237 m

Velocidad tras el impacto

V = √(2·9,81·0,07237) = 1,192 m/s

Choque

v = (m + M)·V/m = 2,008·1,192/0,008 = 299,1 m/s

Respuesta

v = 299,1 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: Pavg = 27,87 kW

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·1100/60 = 115,2 rad/s

Energía

E = ½·I·ω² = ½·21·115,2² = 139326 J

Potencia media

Pavg = E/t = 139326/5 = 27865 W = 27,87 kW

Respuesta

Pavg = 27,87 kW
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: φ = 102,2 °

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 = 2·1,3²/3 + 0,045·0,97² = 1,169 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 = 0,045·140·0,97/1,169 = 5,228 rad/s

Energía durante la oscilación

½·I·ω² = ½·1,169·5,228² = 15,97 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 13,18·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 15,97/13,18 = −0,2118 → φ = 102,2°

Respuesta

φ = 102,2°
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 1097 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

1500·150/200 = 1125 rpm

Con deslizamiento

n2 = 1125·0,975 = 1097 rpm

Respuesta

n2 = 1097 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 4,285 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 = 2,8 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,84 = 2,316, T₂ = 1200/2,316 = 518,1 N

Potencia

P = (1200 − 518,1)·6,283 = 4,285 kW

Respuesta

P = 4,285 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 2,104 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·√(1,1/9,81) = 2,104 s

Respuesta

T = 2,104 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: E = 5,632 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 = √(440/2,1) = 14,47 rad/s

Energía

E = ½·k·A² = ½·440·0,16² = 5,632 J

Respuesta

E = 5,632 J
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: keq = 8,333 kN/m

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 = 1/50 + 1/10 → keq = 50·10/(50 + 10) = 8,333 kN/m

Respuesta

keq = 8,333 kN/m

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