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)4,444 s22,22

Un coche que circula a 80 km/h frena con una deceleración constante de 5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 80 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 12 m/s35 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 12 m/s desde el borde de un tejado situado a 35 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 = 12 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
9 kg3,5 kg

Dos masas de 9 kg y 3,5 kg cuelgan a ambos lados de una polea ligera y sin rozamiento, unidas por un hilo ligero. El sistema se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de las masas.

m1 = 9 kgm2 = 3,5 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
θ = 20°bloquev₀ = 4,5 m/s

Se da un empujón a un bloque de modo que empieza a subir por una rampa de 20° con una velocidad de 4,5 m/s. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué distancia d recorre por la rampa antes de detenerse?

v₀ = 4,5 m/sθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 30 m/s20°x = ?

Se lanza una pelota a 20° 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 = 30 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 5 mv0​ = 16 m/s35°α = ?

Se lanza una pelota a 16 m/s y 35° 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 = 16 m/sθ = 35°h = 5 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Movimiento circularMedia
r = 65 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 65 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,8. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 65 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,5 mv = ?

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola atada a una cuerda de 0,5 m. Usa g = 9,81 m/s². ¿Cuál es la velocidad mínima vmin en el punto más alto para que la cuerda siga justo tensa?

r = 0,5 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
120 km/h

Un coche que circula a 120 km/h por una carretera horizontal frena bruscamente y derrapa hasta detenerse con las ruedas bloqueadas. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,5. Halla la distancia de frenado d.

v = 120 km/hμ = 0,5g = 9,81 m/s²
d = m
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 5 mL = 2 mμ = 0,3k = 5000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 2 kg a una altura de 5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 2 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 = 2 kgh = 5 mL = 2 mμ = 0,3k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
2,5 kg12 m/s0,5 kg

Un deslizador de 2,5 kg que se mueve a 12 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 0,5 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 = 2,5 kgm2 = 0,5 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
17 m/s10 m/s

Una pelota de 0,25 kg golpea una pared a 17 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 10 m/s. El contacto dura 50 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,25 kgvin = 17 m/svout = 10 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 3000 rpmTb​ = 10 N·mI = 6,5 kg·m²

Un volante de inercia con un momento de inercia de 6,5 kg·m² gira a 3000 rpm. Un freno aplica un par de rozamiento constante de 10 N·m. ¿Cuánto tiempo t tarda en detenerse?

I = 6,5 kg·m²n = 3000 rpmTb = 10 N·m
t = s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 40°vs = 7,5 m

Un cuerpo (aro delgado) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 40° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Su radio es 0,05 m. Halla su velocidad angular ω después de haber rodado 7,5 m a lo largo de la pendiente.

θ = 40°s = 7,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,05 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 150 mmd2​ = 450 mm1500 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 500 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 150 mm a 1500 rpm. La tensión es de 1000 N en el ramal tenso y de 500 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 150 mmn1 = 1500 rpmT1 = 1000 NT2 = 500 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 20B = 45C = 30D = 40

Un motor de 1,5 kW a 2900 rpm acciona la rueda A (20 dientes), que engrana con la rueda B (45 dientes). La rueda C (30 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (40 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida Tout.

P = 1,5 kWnin = 2900 rpmA = 20B = 45C = 30D = 40ηmesh = 97%
Tout = N·m
17.Muelles y péndulosMedia
2,6 kgk = 200 N/mA = 5 cmx = 3 cm

Una masa de 2,6 kg unida a un muelle con k = 200 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 5 cm. Halla su velocidad v cuando está a 3 cm del equilibrio.

m = 2,6 kgk = 200 N/mA = 5 cmx = 3 cm
v = m/s
18.Muelles y péndulosDifícil
1,5 kgk = 460 N/mA = 9 cm

Una masa de 1,5 kg unida a un muelle con k = 460 N/m se separa 9 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.

m = 1,5 kgk = 460 N/mA = 9 cm
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 12 kN/mc = 160 N·s/mm = 80 kg

Una masa de 80 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 12 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 160 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 80 kgk = 12 kN/mc = 160 N·s/m
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 10m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 100 kN/m y k₂ = 10 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 10 kgk1 = 100 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 49,38 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 = 80/3,6 = 22,22 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22,22²/(2·5) = 49,38 m

Respuesta

s = 49,38 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 42,34 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 = 12²/(2·9,81) = 7,339 m

Altura sobre el suelo

hmax = 35 + 7,339 = 42,34 m

Respuesta

hmax = 42,34 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 4,316 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

La fuerza motriz neta es la diferencia de los pesos; mueve la masa total.

a = (9 − 3,5)·9,81/(9 + 3,5) = 4,316 m/s²

Respuesta

a = 4,316 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: d = 1,789 m

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

Ambas fuerzas apuntan rampa abajo; la masa se simplifica.

a = 9,81·(sin 20° + 0,25·cos 20°) = 5,66 m/s²

Distancia

d = v₀²/(2a) = 4,5²/(2·5,66) = 1,789 m

Respuesta

d = 1,789 m
5.Tiro parabólico

Respuesta: x = 58,97 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 = 30·cos 20° = 28,19 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 20° = 10,26 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·10,26/9,81 = 2,092 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 28,19·2,092 = 58,97 m

Respuesta

x = 58,97 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: α = 45,85 °

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 = 16·cos 35° = 13,11 m/s
vy0 = 16·sin 35° = 9,177 m/s

Velocidad vertical en el impacto

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

vy = √(9,177² + 2·9,81·5) = 13,5 m/s

Ángulo de impacto

tan α = vy/vx = 13,5/13,11 → α = 45,85°

Respuesta

α = 45,85°
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 22,59 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) = √(0,8·9,81·65) = 22,59 m/s

Respuesta

vmax = 22,59 m/s (81,31 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 2,215 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.

Tensión nula en el punto más alto

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·0,5) = 2,215 m/s

Respuesta

vmin = 2,215 m/s
9.Trabajo y energía

Respuesta: d = 113,3 m

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).

Velocidad en unidades básicas

v = 120/3,6 = 33,33 m/s

Balance de energía

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 33,33²/(2·0,5·9,81) = 113,3 m

Respuesta

d = 113,3 m

Duplicar la velocidad cuadruplica la distancia de frenado.

10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 18,58 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 = 19,62·(5 − 0,3·2) = 86,33 J

Compresión máxima

½kx² = 86,33 → x = √(2·86,33/5000) = 0,1858 m = 18,58 cm

Respuesta

x = 18,58 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = 8 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 = (2,5 − 0,5)/(2,5 + 0,5)·12 = 8 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 0,5)·12 = 20 m/s

Respuesta

v′1 = 8 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 135 N

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.

Variación de la cantidad de movimiento

J = m·Δv = 0,25·(10 + 17) = 6,75 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 6,75/0,05 = 135 N

Respuesta

Favg = 135 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: t = 204,2 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·3000/60 = 314,2 rad/s

Deceleración y tiempo

α = Tb/I = 10/6,5 = 1,538 rad/s²
t = ω/α = 314,2/1,538 = 204,2 s

Respuesta

t = 204,2 s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 137,5 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 = 7,5·sin 40° = 4,821 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 + 1)
v = √(2·9,81·4,821/2) = 6,877 m/s
ω = v/r = 6,877/0,05 = 137,5 rad/s

Respuesta

ω = 137,5 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 5,89 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 = 11,78 m/s

Potencia

P = (1000 − 500)·11,78 = 5890 W = 5,89 kW

Respuesta

P = 5,89 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 13,94 N·m

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.

Velocidad de salida

nout = 2900·(20/45)·(30/40) = 966,7 rpm
ωout = 2π·966,7/60 = 101,2 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 1500·0,97² = 1411 W
Tout = Pout/ωout = 1411/101,2 = 13,94 N·m

Respuesta

Tout = 13,94 N·m
17.Muelles y péndulos

Respuesta: v = 0,3508 m/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 = √(200/2,6) = 8,771 rad/s

Velocidad en x

v = ω·√(A² − x²) = 8,771·√(0,05² − 0,03²) = 0,3508 m/s

Respuesta

v = 0,3508 m/s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: vmax = 1,576 m/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 = √(460/1,5) = 17,51 rad/s

Velocidad máxima

vmax = A·ω = 0,09·17,51 = 1,576 m/s

Respuesta

vmax = 1,576 m/s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,08165

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·√(12000·80) = 1960 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 160/1960 = 0,08165

Respuesta

ζ = 0,08165

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

20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 110 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 uno al lado del otro comparten la deformación y suman sus fuerzas, así que sus rigideces simplemente se suman: k = k1 + k2.

keq = 100 + 10 = 110 kN/m

Respuesta

keq = 110 kN/m

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