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)5 s20

Un coche que circula a 72 km/h frena con una deceleración constante de 4 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 72 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 15 m/s5 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 15 m/s desde el borde de un tejado situado a 5 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 = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
cajav₀ = 10 m/sμ = ?

Una caja desliza por un suelo horizontal con una velocidad inicial de 10 m/s y se detiene tras 17 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla el coeficiente de rozamiento dinámico μ.

v₀ = 10 m/sd = 17 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 5 kg6 kgθ = 30°

Un bloque de 5 kg sobre una rampa de 30° está unido mediante un hilo ligero, que pasa por una polea sin rozamiento en lo alto de la rampa, a una masa colgante de 6 kg. La masa colgante baja. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la rampa es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 5 kgm2 = 6 kgθ = 30°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 10 m/s50°x = ?

Se lanza una pelota a 50° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 10 m/sθ = 50°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 30 mv0​ = 31 m/s50°H = ?

Se lanza una pelota a 31 m/s y 50° por encima de la horizontal desde lo alto de un acantilado de 30 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la altura máxima H sobre el suelo al pie del acantilado.

v₀ = 31 m/sθ = 50°h = 30 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Movimiento circularMedia
r = 125 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 125 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 = 125 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 1,2 mv = 6 m/s

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

m = 0,9 kgr = 1,2 mv = 6 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
30°d = 17 mμ = 0,2

Un bloque baja desde el reposo por una rampa inclinada 30° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2. Halla su velocidad v tras deslizar 17 m por la rampa.

θ = 30°μ = 0,2d = 17 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 3 mL = 4 mμ = 0,15k = 4000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 4 kg a una altura de 3 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 4 m (μ = 0,15) y después choca contra un muelle (k = 4000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 4 kgh = 3 mL = 4 mμ = 0,15k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
1500 kg25 m/s1300 kg

Un coche de 1500 kg que se mueve a 25 m/s choca con un coche parado de 1300 kg y ambos quedan unidos. ¿Cuánta energía cinética ΔK se pierde en el choque?

m1 = 1500 kgv1 = 25 m/sm2 = 1300 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1000 kg17 m/s1200 kg21 m/sv′ = ?

En un cruce, un coche de 1000 kg que circula hacia el este a 17 m/s choca con un coche de 1200 kg que circula hacia el norte a 21 m/s. Los coches quedan unidos. Halla la velocidad v′ de los restos justo después del choque.

m1 = 1000 kgv1 = 17 m/s (E)m2 = 1200 kgv2 = 21 m/s (N)
v′ = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 1,1 mm = 5,5 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 5,5 kg y longitud 1,1 m está articulada por un extremo y se mantiene horizontal. Se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza vertical R que el pasador ejerce sobre la barra justo después de soltarla.

m = 5,5 kgL = 1,1 mg = 9,81 m/s²
R = N
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 35°a

Un cuerpo (esfera hueca) rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 35° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla el menor coeficiente de rozamiento estático μs que evita que deslice.

θ = 35°I = (2/3)·m·r²g = 9,81 m/s²
μs =
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 80 mmd2​ = 315 mm1500 rpmT1​ = 600 NT2​ = 180 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 80 mm a 1500 rpm. La tensión es de 600 N en el ramal tenso y de 180 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmT1 = 600 NT2 = 180 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 45C = 16D = 18

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (16 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (45 dientes). El engranaje C (16 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (18 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 2900 rpmA = 16B = 45C = 16D = 18
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

¿Qué longitud debe tener un péndulo simple para que su periodo sea de 1,8 s? Usa g = 9,81 m/s². Halla L.

T = 1,8 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
3,5 kgk = 800 N/m350 m/s

Una bala de 5 g que se mueve a 350 m/s impacta y se queda incrustada en un bloque de 3,5 kg que descansa sobre una superficie sin rozamiento. El bloque está unido a un muelle horizontal con k = 800 N/m. Halla la amplitud A de la oscilación resultante en cm.

m = 5 gv = 350 m/sM = 3,5 kgk = 800 N/m
A = cm
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 1 kN/mζ = 0,3m = 5 kg

Una masa de 5 kg sobre un muelle con una rigidez de 1 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,3. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 5 kgk = 1 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 80m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 100 kN/m y k₂ = 80 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 = 50 kgk1 = 100 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 50 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 = 72/3,6 = 20 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·4) = 50 m

Respuesta

s = 50 m
2.Cinemática

Respuesta: t = 3,361 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.

−5 = 15·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 15·t − 5 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (15 + √(15² + 2·9,81·5))/9,81 = 3,361 s

Respuesta

t = 3,361 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: μ = 0,2998

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) = 10²/(2·17) = 2,941 m/s²

Coeficiente de rozamiento

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2,941/9,81 = 0,2998

Respuesta

μ = 0,2998
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 44,77 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 = 58,86 N
m₁·g·sin θ = 24,52 N
μ·m₁·g·cos θ = 8,496 N

Aceleración del sistema

a = (58,86 − 24,52 − 8,496)/11 = 2,349 m/s²

Tensión a partir de la masa colgante

m2·g − T = m2·a → T = 6·(9,81 − 2,349) = 44,77 N

Respuesta

T = 44,77 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: x = 10,04 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 = 10·cos 50° = 6,428 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 50° = 7,66 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·7,66/9,81 = 1,562 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 6,428·1,562 = 10,04 m

Respuesta

x = 10,04 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: H = 58,74 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.

Velocidad vertical de lanzamiento

vy = 31·sin 50° = 23,75 m/s

Subida por encima del acantilado

Δh = vy²/(2g) = 23,75²/(2·9,81) = 28,74 m

Altura sobre el suelo

H = 30 + 28,74 = 58,74 m

Respuesta

H = 58,74 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 19,18 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) = √(0,3·9,81·125) = 19,18 m/s

Respuesta

vmax = 19,18 m/s (69,05 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 35,83 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 = 0,9·9,81 + 0,9·6²/1,2 = 8,829 + 27 = 35,83 N

Respuesta

T = 35,83 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: v = 10,44 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·(0,5 − 0,2·0,866)) = 10,44 m/s

Respuesta

v = 10,44 m/s
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 21,7 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 = 39,24·(3 − 0,15·4) = 94,18 J

Compresión máxima

½kx² = 94,18 → x = √(2·94,18/4000) = 0,217 m = 21,7 cm

Respuesta

x = 21,7 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: ΔK = 217634 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) = 1500·25/2800 = 13,39 m/s

Energía cinética antes y después

Kbefore = ½·1500·25² = 468750 J
Kafter = ½·2800·13,39² = 251116 J

Energía perdida

ΔK = 468750 − 251116 = 217634 J

Respuesta

ΔK = 217634 J

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′ = 13,82 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.

Componentes de la cantidad de movimiento

px = 1000·17 = 17000 kg·m/s
py = 1200·21 = 25200 kg·m/s

Velocidad de los restos

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 30398/2200 = 13,82 m/s

Respuesta

v′ = 13,82 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: R = 13,49 N

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.

Momentos respecto al pasador

En el instante de soltarla ω = 0, así que no hay aceleración centrípeta y el centro acelera directamente hacia abajo.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·1,1) = 13,38 rad/s²

Fuerzas verticales

aG = α·L/2 = 7,357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 5,5·(9,81 − 7,357) = 13,49 N

Respuesta

R = 13,49 N

R = m·g/4, independiente de la longitud.

14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: μs = 0,2801

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.

Ecuaciones del movimiento

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,6667·m·r²·(a/r) → f = 0,6667·m·a

Aceleración

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 35°/1,667 = 3,376 m/s²

Rozamiento necesario

f = c·m·a ≤ μ·m·g·cos θ → μ ≥ c·tan θ/(1 + c)
μs = 0,6667·tan 35°/1,667 = 0,2801

Respuesta

μs = 0,2801
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,639 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.

Velocidad de la correa

v = 6,283 m/s

Potencia

P = (600 − 180)·6,283 = 2639 W = 2,639 kW

Respuesta

P = 2,639 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 916,5 rpm

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.

Primera etapa

nB = 2900·16/45 = 1031 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1031·16/18 = 916,5 rpm

Respuesta

nout = 916,5 rpm

relación total = 3,164 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 0,8051 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·(1,8/2π)² = 0,8051 m

Respuesta

L = 0,8051 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: A = 3,305 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.

Velocidad tras el impacto

V = m·v/(m + M) = 0,005·350/3,505 = 0,4993 m/s

Frecuencia angular

ω = √(k/(m + M)) = √(800/3,505) = 15,11 rad/s

Amplitud

A = V/ω = 0,4993/15,11 = 0,03305 m = 3,305 cm

Respuesta

A = 3,305 cm
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 2,147 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.

Frecuencia natural sin amortiguamiento

ωn = √(1000/5) = 14,14 rad/s
fn = 14,14/(2π) = 2,251 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,251·√(1 − 0,3²) = 2,147 Hz

Respuesta

fd = 2,147 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 9,549 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 = 100 + 80 = 180 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(180000/50) = 60 rad/s
fn = 60/(2π) = 9,549 Hz

Respuesta

fn = 9,549 Hz

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