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 s27,78

Una conductora que circula a 100 km/h ve un obstáculo. Su tiempo de reacción es 1 s, tras el cual el coche frena con una deceleración constante de 8 m/s². Halla la distancia total de detención d desde el momento en que ve el obstáculo.

v₀ = 100 km/htr = 1 sa = −8 m/s²
d = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 15 m/s10 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 15 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 = 15 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 20°45 kgF = ?

Se empuja una caja de 45 kg rampa arriba, con una inclinación de 20° respecto a la horizontal, a velocidad constante, mediante una fuerza paralela a la rampa. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza de empuje F.

m = 45 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
F = N
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 2,5 kg1 kgμ = 0,1

Un bloque de 2,5 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 1 kg. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la mesa es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.

m1 = 2,5 kgm2 = 1 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
87 my = ?v0​ = 38 m/s40°

Se chuta una pelota desde un terreno horizontal a 38 m/s y 40° por encima de la horizontal hacia una pared situada a 87 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura y pasa la pelota por la pared?

v₀ = 38 m/sθ = 40°x = 87 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Tiro parabólicoDifícil
16 mv0​ = 37 m/s55°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 37 m/s y 55° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 16 m de altura. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la distancia horizontal x desde el punto de lanzamiento hasta donde cae.

v₀ = 37 m/sθ = 55°hroof = 16 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 55 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 55 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,4. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 55 mμs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
R = 1 mh = 3 m

Una vagoneta de 4,5 kg se suelta desde el reposo a una altura de 3 m sobre una pista sin rozamiento y recorre un rizo vertical de radio 1 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza normal Ntop de la pista sobre la vagoneta en lo más alto del rizo.

m = 4,5 kgh = 3 mR = 1 mg = 9,81 m/s²
Ntop = N
9.Trabajo y energíaMedia
30°d = 20 mμ = 0,2

Un bloque de 10 kg desliza 20 m por una rampa inclinada 30° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,2. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 10 kgθ = 30°μ = 0,2d = 20 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 3,5 mL = 1,5 mμ = 0,15k = 500 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 4 kg a una altura de 3,5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 1,5 m (μ = 0,15) y después choca contra un muelle (k = 500 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la velocidad v del bloque cuando llega al muelle.

m = 4 kgh = 3,5 mL = 1,5 mμ = 0,15k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
0,5 kg8 m/s1,5 kg

Un deslizador de 0,5 kg que se mueve a 8 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 = 0,5 kgm2 = 1,5 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
800 kgv1​ = ?1100 kg

Un coche de 800 kg choca con un coche aparcado de 1100 kg. Los restos quedan unidos y derrapan 13,5 m antes de detenerse. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,75. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v1 del primer coche justo antes del choque.

m1 = 800 kgm2 = 1100 kgd = 13,5 mμ = 0,75g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 500 rpmTb​ = 90 N·mI = 37,5 kg·m²

Un volante de inercia con un momento de inercia de 37,5 kg·m² gira a 500 rpm. Un freno aplica un par de rozamiento constante de 90 N·m. ¿Cuánto tiempo t tarda en detenerse?

I = 37,5 kg·m²n = 500 rpmTb = 90 N·m
t = s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
560 m/s20 g0,75 mL = 1 m5,5 kgφ

Una barra esbelta uniforme de masa 5,5 kg y longitud 1 m cuelga en reposo de un pivote sin rozamiento en su extremo superior. Una bala de 20 g que se mueve horizontalmente a 560 m/s golpea la barra 0,75 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 = 5,5 kgL = 1 mm = 20 gv = 560 m/sd = 0,75 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​N2​ = ?

Dos ejes paralelos están a 60 mm de distancia. Deben unirse mediante un par de ruedas dentadas rectas de módulo 2 mm y una reducción de velocidad de 1,5 : 1. ¿Cuántos dientes N2 debe tener la rueda?

a = 60 mmm = 2 mmi = 1,5
N2 =
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 500 mm960 rpmC = 1000 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 80 mm a 960 rpm con una polea de 500 mm; los centros están separados 1000 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,25 y la tensión del ramal tenso no puede superar 2000 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 80 mmn1 = 960 rpmd2 = 500 mmC = 1000 mmμ = 0,25T1 = 2000 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

¿Qué longitud debe tener un péndulo simple para que su periodo sea de 2,5 s? Usa g = 9,81 m/s². Halla L.

T = 2,5 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
t (s)x (cm)t = ?18

Un cuerpo describe un movimiento armónico simple con periodo 2,4 s y amplitud 20 cm. ¿Cuál es el tiempo mínimo t que necesita para pasar de su desplazamiento máximo de 20 cm a un desplazamiento de 18 cm?

T = 2,4 sA = 20 cmx = 18 cm
t = s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 12 kN/mc = 390 N·s/mm = 20 kg

Una masa de 20 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 12 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 390 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 20 kgk = 12 kN/mc = 390 N·s/m
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 5k3​ = 30m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga del muelle k₃ = 30 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 10 kN/m y k₂ = 5 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 = 50 kgk1 = 10 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 76 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 = 100/3,6 = 27,78 m/s

Distancia de reacción

d1 = v₀·tr = 27,78·1 = 27,78 m

Distancia de frenado

d2 = v₀²/(2a) = 27,78²/(2·8) = 48,23 m

Total

d = 27,78 + 48,23 = 76 m

Respuesta

d = 76 m
2.Cinemática

Respuesta: t = 3,621 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 = 15·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 15·t − 10 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (15 + √(15² + 2·9,81·10))/9,81 = 3,621 s

Respuesta

t = 3,621 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: F = 234 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 de la rampa

Velocidad constante: las fuerzas se equilibran.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Fuerza de empuje

F = 151 + 82,97 = 234 N

Respuesta

F = 234 N
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 2,102 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 del sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (9,81 − 2,453)/3,5 = 2,102 m/s²

Respuesta

a = 2,102 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: y = 29,19 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 = 38·cos 40° = 29,11 m/s
t = x/vx = 87/29,11 = 2,989 s

Altura en ese instante

y = 24,43·2,989 − ½·9,81·2,989² = 29,19 m

Respuesta

y = 29,19 m

En la pared la pelota ya está bajando.

6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 118,8 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

vx = 21,22 m/s, vy = 30,31 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

16 = 30,31·t − 4,905·t²
t = (30,31 + √(30,31² − 2·9,81·16))/9,81 = 5,596 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 21,22·5,596 = 118,8 m

Respuesta

x = 118,8 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 14,69 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) = √(0,4·9,81·55) = 14,69 m/s

Respuesta

vmax = 14,69 m/s (52,89 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: Ntop = 44,15 N

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.

Velocidad a partir de la conservación de la energía

v² = 2·9,81·(3 − 2·1) = 19,62 m²/s²

Fuerzas

Hacia el centro es positivo.

N = m·v²/R − m·g = 4,5·19,62/1 − 44,15 = 44,15 N

Respuesta

Ntop = 44,15 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 339,8 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 = 98,1·0,866 = 84,96 N
F = μN = 0,2·84,96 = 16,99 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 16,99·20 = 339,8 J

Respuesta

Wf = 339,8 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 8,016 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 = 39,24·(3,5 − 0,15·1,5) = 128,5 J

Velocidad al llegar al muelle

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,275) = 8,016 m/s

Respuesta

v = 8,016 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 4 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 − 1,5)/(0,5 + 1,5)·8 = −4 m/s
v′2 = 2·0,5/(0,5 + 1,5)·8 = 4 m/s

Respuesta

v′2 = 4 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v1 = 33,47 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) = √(2·0,75·9,81·13,5) = 14,09 m/s

Cantidad de movimiento en el choque

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 1900·14,09/800 = 33,47 m/s

Respuesta

v1 = 33,47 m/s
(120,5 km/h)
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: t = 21,82 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·500/60 = 52,36 rad/s

Deceleración y tiempo

α = Tb/I = 90/37,5 = 2,4 rad/s²
t = ω/α = 52,36/2,4 = 21,82 s

Respuesta

t = 21,82 s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: φ = 72,85 °

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 = 5,5·1²/3 + 0,02·0,75² = 1,845 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 = 0,02·560·0,75/1,845 = 4,554 rad/s

Energía durante la oscilación

½·I·ω² = ½·1,845·4,554² = 19,13 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 27,12·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 19,13/27,12 = 0,2949 → φ = 72,85°

Respuesta

φ = 72,85°
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: N2 = 36

Geometría de engranajes: el módulo m fija el tamaño del diente. Una rueda con N dientes tiene un diámetro primitivo d = m·N, dos ruedas que engranan tienen el mismo módulo, y su distancia entre centros es a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. La velocidad en la circunferencia primitiva es v = π·d·n/60, y la fuerza tangencial en el diente se obtiene del par: Ft = 2T/d.

Número total de dientes

N1 + N2 = 2a/m = 2·60/2 = 60

Reparte según la relación

N1 = 60/(1 + 1,5) = 24
N2 = 1,5·24 = 36

Respuesta

N2 = 36
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 3,966 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 = 2,718 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,6796 = 1,973, T₂ = 2000/1,973 = 1014 N

Potencia

P = (2000 − 1014)·4,021 = 3,966 kW

Respuesta

P = 3,966 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 1,553 m

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.

Despeja la longitud

L = g·(T/2π)² = 9,81·(2,5/2π)² = 1,553 m

Respuesta

L = 1,553 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: t = 0,1723 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 = 2π/T = 2π/2,4 = 2,618 rad/s

Despeja el tiempo

0,9 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,9) = 0,451 rad
t = 0,451/2,618 = 0,1723 s

Respuesta

t = 0,1723 s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,398

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·√(12000·20) = 979,8 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 390/979,8 = 0,398

Respuesta

ζ = 0,398

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

20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,251 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 = 10 + 5 = 15 kN/m
keq = 15·30/(15 + 30) = 10 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(10000/50) = 14,14 rad/s
fn = 14,14/(2π) = 2,251 Hz

Respuesta

fn = 2,251 Hz

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