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)3,846 s25

Un coche que circula a 90 km/h frena con una deceleración constante de 6,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 90 km/ha = −6,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 11 m/s40 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 11 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. Halla la altura máxima hmax sobre el suelo.

v₀ = 11 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 40°40 kgF = ?

Se empuja una caja de 40 kg rampa arriba, con una inclinación de 40° respecto a la horizontal, a velocidad constante, mediante una fuerza paralela a la rampa. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza de empuje F.

m = 40 kgθ = 40°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
F = N
4.Leyes de NewtonDifícil
2 kg5 kgTF = 50 Nμ = 0,15

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 50 N tira del bloque delantero de 5 kg; el bloque de 2 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,15 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de los bloques.

m1 = 2 kgm2 = 5 kgF = 50 Nμ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 14 m/s45°alcanceH = ?

Se lanza una pelota a 45° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la altura máxima H que alcanza la pelota.

v0 = 14 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 35 mv0​ = 26 m/s20°x = ?

Se lanza una pelota a 20° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 35 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 26 m/sθ = 20°h = 35 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 85 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 85 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 85 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,9 mv = 7 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 1,9 kg atada a una cuerda de 0,9 m. En el punto más bajo se mueve a 7 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 1,9 kgr = 0,9 mv = 7 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
90 km/h5°1000 kg

Un coche de 1000 kg sube por una pendiente de 5° a 90 km/h constantes. La resistencia del aire y la resistencia a la rodadura suman en total 550 N. Halla la potencia P que deben entregar las ruedas, en kW.

m = 1000 kgθ = 5°Fr = 550 Nv = 90 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 2 mL = 3 mμ = 0,3k = 1000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 0,5 kg a una altura de 2 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 3 m (μ = 0,3) y después choca contra un muelle (k = 1000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la velocidad v del bloque cuando llega al muelle.

m = 0,5 kgh = 2 mL = 3 mμ = 0,3k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
5 kg6 m/s1,5 kg

Un deslizador de 5 kg que se mueve a 6 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′1 del primer deslizador después del choque (positiva en su sentido inicial).

m1 = 5 kgm2 = 1,5 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
4,5 kgv = ?12 g35°L = 1,6 m

Una bala de 12 g se dispara horizontalmente contra un bloque de 4,5 kg que cuelga de hilos ligeros de 1,6 m de longitud, y se queda incrustada en él. Los hilos oscilan hasta un ángulo máximo de 35° con la vertical. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 12 gM = 4,5 kgL = 1,6 mθ = 35°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
6 kgaαM = 17,5 kgR = 0,45 m

Un bloque de 6 kg cuelga de una cuerda ligera enrollada en una polea, un disco macizo uniforme de masa 17,5 kg y radio 0,45 m que gira sobre un eje horizontal sin rozamiento. El bloque se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v del bloque después de caer 1,5 m.

m = 6 kgM = 17,5 kgR = 0,45 mg = 9,81 m/s²h = 1,5 m
v = m/s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
440 m/s25 g0,72 mL = 0,8 m1,5 kg

Una barra esbelta uniforme de masa 1,5 kg y longitud 0,8 m cuelga en reposo de un pivote sin rozamiento en su extremo superior. Una bala de 25 g que se mueve horizontalmente a 440 m/s golpea la barra 0,72 m por debajo del pivote y queda incrustada. Halla la velocidad angular ω de la barra justo después del impacto.

M = 1,5 kgL = 0,8 mm = 25 gv = 440 m/sd = 0,72 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 120 mmd2​ = 450 mm1500 rpmn2​ = ?

Una polea de 120 mm a 1500 rpm acciona una polea de 450 mm mediante una correa con un 2,5 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1500 rpmd1 = 120 mmd2 = 450 mms = 2,5 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
Ns​ = 16nr​ = ?Np​ = 30portasatélites fijo

En un tren epicicloidal el planeta (sol) tiene 16 dientes y cada satélite tiene 30 dientes. El portasatélites se mantiene fijo y el planeta se acciona a 600 rpm. Halla la velocidad nr de la corona (en valor absoluto).

Ns = 16Np = 30ns = 600 rpm
nr = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = 3 m

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

L = 3 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
0,7 kgk = 70 N/m

Una masa de 0,7 kg se une al extremo inferior de un muelle vertical sin estirar con k = 70 N/m y se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla el alargamiento máximo xmax del muelle en cm.

m = 0,7 kgk = 70 N/mg = 9,81 m/s²
xmax = cm
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx10 mm2 ciclos6 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 10 mm le sigue 2 ciclos después un pico de 6 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 10 mmx2 = 6 mmn = 2
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 30k3​ = 60m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga del muelle k₃ = 60 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 5 kN/m y k₂ = 30 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 = 25 kgk1 = 5 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 48,08 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 = 90/3,6 = 25 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·6,5) = 48,08 m

Respuesta

s = 48,08 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 46,17 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.

Subida por encima del tejado

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 11²/(2·9,81) = 6,167 m

Altura sobre el suelo

hmax = 40 + 6,167 = 46,17 m

Respuesta

hmax = 46,17 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: F = 282,3 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 = 252,2 + 30,06 = 282,3 N

Respuesta

F = 282,3 N
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 5,671 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) = (50 − 10,3)/7 = 5,671 m/s²

Respuesta

a = 5,671 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: H = 4,995 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 = 14·cos 45° = 9,899 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 45° = 9,899 m/s

Punto más alto

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

H = vy²/(2g) = 9,899²/(2·9,81) = 4,995 m

Respuesta

H = 4,995 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 91,07 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 = 26·cos 20° = 24,43 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 20° = 8,893 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 35 + 8,893·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8,893 + √(79,08 + 686,7))/9,81 = 3,727 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 24,43·3,727 = 91,07 m

Respuesta

x = 91,07 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 15,82 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) = √(0,3·9,81·85) = 15,82 m/s

Respuesta

vmax = 15,82 m/s (56,94 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 122,1 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 = 1,9·9,81 + 1,9·7²/0,9 = 18,64 + 103,4 = 122,1 N

Respuesta

T = 122,1 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: P = 35,12 kW

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). La potencia es la fuerza por la velocidad: P = F·v.

Fuerza motriz

m·g = 1000·9,81 = 9810 N
mg·sin θ = 9810·sin 5° = 855 N
F = 855 + 550 = 1405 N

Potencia

v = 90/3,6 = 25 m/s
P = F·v = 1405·25 = 35125 W = 35,12 kW

Respuesta

P = 35,12 kW
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 4,646 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 = 4,905·(2 − 0,3·3) = 5,396 J

Velocidad al llegar al muelle

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·1,1) = 4,646 m/s

Respuesta

v = 4,646 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = 3,231 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 = (5 − 1,5)/(5 + 1,5)·6 = 3,231 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 1,5)·6 = 9,231 m/s

Respuesta

v′1 = 3,231 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 895,9 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) = 1,6·(1 − cos 35°) = 0,2894 m

Velocidad tras el impacto

V = √(2·9,81·0,2894) = 2,383 m/s

Choque

v = (m + M)·V/m = 4,512·2,383/0,012 = 895,9 m/s

Respuesta

v = 895,9 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 3,46 m/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.

Bloque y polea

bloque: m·g − T = m·a
polea: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Aceleración

a = m·g/(m + M/2) = 6·9,81/(6 + 8,75) = 3,991 m/s²

Velocidad tras la caída

v = √(2·a·h) = √(2·3,991·1,5) = 3,46 m/s

Respuesta

v = 3,46 m/s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 23,79 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 = 1,5·0,8²/3 + 0,025·0,72² = 0,333 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 = 0,025·440·0,72/0,333 = 23,79 rad/s

Respuesta

ω = 23,79 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 390 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

1500·120/450 = 400 rpm

Con deslizamiento

n2 = 400·0,975 = 390 rpm

Respuesta

n2 = 390 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nr = 126,3 rpm

Trenes epicicloidales: las velocidades del planeta, la corona y el portasatélites están relacionadas por la ecuación de Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: vistos desde el portasatélites, el conjunto es un tren ordinario con los satélites como ruedas locas. Al fijar un elemento, el conjunto se convierte en un reductor de una sola relación.

Dientes de la corona

Nr = Ns + 2·Np = 16 + 2·30 = 76

Ecuación de Willis con el portasatélites fijo

Con nc = 0 el planeta acciona la corona a través de los satélites, que actúan como ruedas locas.

nr = −ns·Ns/Nr = −600·16/76 = −126,3 rpm
|nr| = 126,3 rpm

Respuesta

nr = 126,3 rpm

La corona gira en sentido contrario al planeta.

17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 3,475 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·√(3/9,81) = 3,475 s

Respuesta

T = 3,475 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: xmax = 19,62 cm

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.

Equilibrio y amplitud

x₀ = m·g/k = 0,7·9,81/70 = 0,0981 m = A

Punto más bajo

xmax = 2A = 0,1962 m = 19,62 cm

Respuesta

xmax = 19,62 cm
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,04062

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 = (1/2)·ln(10/6) = 0,2554

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2554/√(39,48 + 0,06524) = 0,04062

Respuesta

ζ = 0,04062
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 4,733 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 = 5 + 30 = 35 kN/m
keq = 35·60/(35 + 60) = 22,11 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(22105/25) = 29,74 rad/s
fn = 29,74/(2π) = 4,733 Hz

Respuesta

fn = 4,733 Hz

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