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 = 5 m/s²coche22 m/s

Un coche que circula a 22 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 5 m/s². ¿A qué distancia de su punto de partida lo alcanza el coche de policía? Halla d.

vcar = 22 m/sapolice = 5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 10 m/s40 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 10 m/s desde el borde de un tejado situado a 40 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 = 10 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
cajav₀ = 3,5 m/sμ = ?

Una caja desliza por un suelo horizontal con una velocidad inicial de 3,5 m/s y se detiene tras 4,2 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla el coeficiente de rozamiento dinámico μ.

v₀ = 3,5 m/sd = 4,2 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 10 kg9 kgθ = 25°

Un bloque de 10 kg sobre una rampa de 25° está unido mediante un hilo ligero, que pasa por una polea sin rozamiento en lo alto de la rampa, a una masa colgante de 9 kg. La masa colgante baja. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la rampa es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 10 kgm2 = 9 kgθ = 25°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 12 m/s45°alcance

Se lanza una pelota a 45° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 12 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 45 mv0​ = 23 m/s60°x = ?

Se lanza una pelota a 60° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 45 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 23 m/sθ = 60°h = 45 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
θ = ?hacia el centro60 km/h

Un ingeniero de carreteras quiere que los coches tomen una curva de radio 170 m a 60 km/h sin depender del rozamiento. Usa g = 9,81 m/s². Halla el ángulo de peralte θ.

r = 170 mv = 60 km/hg = 9,81 m/s²
θ = °
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,6 mv = 5 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 1,2 kg atada a una cuerda de 0,6 m. En el punto más bajo se mueve a 5 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 1,2 kgr = 0,6 mv = 5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
20°d = 17 mμ = 0,25

Un bloque baja desde el reposo por una rampa inclinada 20° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25. Halla su velocidad v tras deslizar 17 m por la rampa.

θ = 20°μ = 0,25d = 17 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 2,5 mL = 5 mμ = 0,3k = 5000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 1 kg a una altura de 2,5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 5 m (μ = 0,3) y después choca contra un muelle (k = 5000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 1 kgh = 2,5 mL = 5 mμ = 0,3k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
2000 kg5 m/s1700 kg

Un coche de 2000 kg que se mueve a 5 m/s choca con un coche parado de 1700 kg y ambos quedan unidos. ¿Cuánta energía cinética ΔK se pierde en el choque?

m1 = 2000 kgv1 = 5 m/sm2 = 1700 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
2000 kgv1​ = ?2000 kg

Un coche de 2000 kg choca con un coche aparcado de 2000 kg. Los restos quedan unidos y derrapan 6,5 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 = 2000 kgm2 = 2000 kgd = 6,5 mμ = 0,75g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 2500 rpmP = 14,5 kW

Un eje transmite 14,5 kW a 2500 rpm. Halla el par T en el eje.

P = 14,5 kWn = 2500 rpm
T = N·m
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 10°vs = 4 m

Un cuerpo (esfera hueca) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 10° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Su radio es 0,35 m. Halla su velocidad angular ω después de haber rodado 4 m a lo largo de la pendiente.

θ = 10°s = 4 mI = (2/3)·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,35 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm1500 rpmn2​ = ?

Una polea de 150 mm a 1500 rpm acciona una polea de 300 mm mediante una correa con un 4 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1500 rpmd1 = 150 mmd2 = 300 mms = 4 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 120 mmd2​ = 315 mm720 rpmC = 1200 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 120 mm y una polea de 315 mm cuyos centros están separados 1200 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 120 mmd2 = 315 mmC = 1200 mm
θ = °
17.Muelles y péndulosMedia
L = 0,4 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 0,4 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 0,4 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
t (s)x (cm)t = ?6,5

Un cuerpo describe un movimiento armónico simple con periodo 3,8 s y amplitud 13 cm. ¿Cuál es el tiempo mínimo t que necesita para pasar del equilibrio a un desplazamiento de 6,5 cm?

T = 3,8 sA = 13 cmx = 6,5 cm
t = s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 100 kN/mc = 550 N·s/mm = 12 kg

Una masa de 12 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 100 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 550 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 12 kgk = 100 kN/mc = 550 N·s/m
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 12k3​ = 5m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga del muelle k₃ = 5 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 80 kN/m y k₂ = 12 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 = 20 kgk1 = 80 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 193,6 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.

Distancias iguales

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·22/5 = 8,8 s

Distancia

d = v·t = 22·8,8 = 193,6 m

Respuesta

d = 193,6 m

En ese momento el coche de policía va a 2v = 44 m/s.

2.Cinemática

Respuesta: t = 4,052 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.

−40 = 10·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 10·t − 40 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (10 + √(10² + 2·9,81·40))/9,81 = 4,052 s

Respuesta

t = 4,052 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: μ = 0,1487

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) = 3,5²/(2·4,2) = 1,458 m/s²

Coeficiente de rozamiento

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,458/9,81 = 0,1487

Respuesta

μ = 0,1487
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 70,32 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 = 88,29 N
m₁·g·sin θ = 41,46 N
μ·m₁·g·cos θ = 8,891 N

Aceleración del sistema

a = (88,29 − 41,46 − 8,891)/19 = 1,997 m/s²

Tensión a partir de la masa colgante

m2·g − T = m2·a → T = 9·(9,81 − 1,997) = 70,32 N

Respuesta

T = 70,32 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: t = 1,73 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 = 12·cos 45° = 8,485 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 45° = 8,485 m/s

Tiempo de vuelo

Sale y cae a la misma altura: t = 2vy/g.

t = 2·8,485/9,81 = 1,73 s

Respuesta

t = 1,73 s
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 65,28 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 = 23·cos 60° = 11,5 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 60° = 19,92 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 45 + 19,92·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19,92 + √(396,7 + 882,9))/9,81 = 5,677 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 11,5·5,677 = 65,28 m

Respuesta

x = 65,28 m
7.Movimiento circular

Respuesta: θ = 9,457 °

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.

Unidades

v = 60/3,6 = 16,67 m/s

Ángulo de peralte

tan θ = v²/(r·g) = 16,67²/(170·9,81) = 0,1666
θ = 9,457°

Respuesta

θ = 9,457°
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 61,77 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.

Fuerzas en el punto más bajo

Hacia el centro (hacia arriba) es positivo.

T − m·g = m·v²/r
T = 1,2·9,81 + 1,2·5²/0,6 = 11,77 + 50 = 61,77 N

Respuesta

T = 61,77 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: v = 5,977 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).

Balance de energía a lo largo de la rampa

El bloque baja una altura d·sin θ mientras el rozamiento le quita μmg·cos θ·d. La masa se cancela.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·17·(0,342 − 0,25·0,9397)) = 5,977 m/s

Respuesta

v = 5,977 m/s
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 6,264 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 = 9,81·(2,5 − 0,3·5) = 9,81 J

Compresión máxima

½kx² = 9,81 → x = √(2·9,81/5000) = 0,06264 m = 6,264 cm

Respuesta

x = 6,264 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: ΔK = 11486 J

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 común

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 2000·5/3700 = 2,703 m/s

Energía cinética antes y después

Kbefore = ½·2000·5² = 25000 J
Kafter = ½·3700·2,703² = 13514 J

Energía perdida

ΔK = 25000 − 13514 = 11486 J

Respuesta

ΔK = 11486 J

La energía perdida se convierte en deformación, calor y sonido.

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v1 = 19,56 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) = √(2·0,75·9,81·6,5) = 9,78 m/s

Cantidad de movimiento en el choque

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 4000·9,78/2000 = 19,56 m/s

Respuesta

v1 = 19,56 m/s
(70,42 km/h)
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: T = 55,39 N·m

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·2500/60 = 261,8 rad/s

Par

T = P/ω = 14500/261,8 = 55,39 N·m

Respuesta

T = 55,39 N·m
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 8,17 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.

Altura descendida

h = s·sin θ = 4·sin 10° = 0,6946 m

Balance de energía con rodadura

Rodadura sin deslizamiento: ω = v/r, y el rozamiento no realiza trabajo en el punto de contacto.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0,6667)
v = √(2·9,81·0,6946/1,667) = 2,86 m/s
ω = v/r = 2,86/0,35 = 8,17 rad/s

Respuesta

ω = 8,17 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 720 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

1500·150/300 = 750 rpm

Con deslizamiento

n2 = 750·0,96 = 720 rpm

Respuesta

n2 = 720 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 170,7 °

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 la correa

asin(0,08125) = 4,66°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·4,66 = 170,7°

Respuesta

θ = 170,7°
17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 1,269 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·√(0,4/9,81) = 1,269 s

Respuesta

T = 1,269 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: t = 0,3167 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/3,8 = 1,653 rad/s

Despeja el tiempo

0,5 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0,5) = 0,5236 rad
t = 0,5236/1,653 = 0,3167 s

Respuesta

t = 0,3167 s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,251

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·√(100000·12) = 2191 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 550/2191 = 0,251

Respuesta

ζ = 0,251

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

20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,451 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 = 80 + 12 = 92 kN/m
keq = 92·5/(92 + 5) = 4,742 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(4742/20) = 15,4 rad/s
fn = 15,4/(2π) = 2,451 Hz

Respuesta

fn = 2,451 Hz

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