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)t = ?25

Un coche que circula a 90 km/h frena con una deceleración constante de 7,5 m/s² hasta detenerse. ¿Cuánto dura la frenada? Halla t.

v₀ = 90 km/ha = −7,5 m/s²v = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 13 m/s20 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 13 m/s desde el borde de un tejado situado a 20 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 = 13 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
2,5 kg0,5 kg

Dos masas de 2,5 kg y 0,5 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 tensión T de la cuerda.

m1 = 2,5 kgm2 = 0,5 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 6,5 kg3,5 kgμ = 0,25

Un bloque de 6,5 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 3,5 kg. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la mesa es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 6,5 kgm2 = 3,5 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 30 m/s65°x = ?

Se lanza una pelota a 65° 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 = 65°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 15 mv0​ = 31 m/s40°alcance

Se lanza una pelota a 40° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 15 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 31 m/sθ = 40°h = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
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 0,6. 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 = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,8 mv = 3 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 1 kg atada a una cuerda de 0,8 m. En el punto más bajo se mueve a 3 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 1 kgr = 0,8 mv = 3 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
90 km/h8°1800 kg

Un coche de 1800 kg sube por una pendiente de 8° a 90 km/h constantes. La resistencia del aire y la resistencia a la rodadura suman en total 400 N. Halla la potencia P que deben entregar las ruedas, en kW.

m = 1800 kgθ = 8°Fr = 400 Nv = 90 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 3 mL = 2 mμ = 0,2k = 1500 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 5 kg a una altura de 3 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 2 m (μ = 0,2) y después choca contra un muelle (k = 1500 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 5 kgh = 3 mL = 2 mμ = 0,2k = 1500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
900 kg16 m/s700 kg

Un coche de 900 kg que se mueve a 16 m/s choca con un coche parado de 700 kg y ambos quedan unidos. ¿Qué porcentaje ΔK/K de la energía cinética inicial se pierde?

m1 = 900 kgv1 = 16 m/sm2 = 700 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1900 kg25 m/s900 kg9 m/sθ = ?

En un cruce, un coche de 1900 kg que circula hacia el este a 25 m/s choca con un coche de 900 kg que circula hacia el norte a 9 m/s. Los coches quedan unidos. Halla la dirección θ de los restos justo después del choque, medida desde el este hacia el norte.

m1 = 1900 kgv1 = 25 m/s (E)m2 = 900 kgv2 = 9 m/s (N)
θ = °
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 2,1 mm = 13 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 13 kg y longitud 2,1 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 = 13 kgL = 2,1 mg = 9,81 m/s²
R = N
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
3 m/sω

Un cuerpo (cilindro macizo) de masa 1,5 kg rueda sin deslizar a 3 m/s. Halla su energía cinética total Ek.

m = 1,5 kgv = 3 m/sI = ½·m·r²
Ek = J
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 200 mmd2​ = 300 mm1450 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 600 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 200 mm a 1450 rpm. La tensión es de 1500 N en el ramal tenso y de 600 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 200 mmn1 = 1450 rpmT1 = 1500 NT2 = 600 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 48C = 12D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (16 dientes) del eje de entrada gira a 2880 rpm y acciona la rueda B (48 dientes). La rueda C (12 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 640 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 2880 rpmA = 16B = 48C = 12nout = 640 rpm
ND =
17.Muelles y péndulosMedia
2,1 kgk = 190 N/mA = 7 cmx = 1 cm

Una masa de 2,1 kg unida a un muelle con k = 190 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 7 cm. Halla su velocidad v cuando está a 1 cm del equilibrio.

m = 2,1 kgk = 190 N/mA = 7 cmx = 1 cm
v = m/s
18.Muelles y péndulosDifícil
3,1 kgk = 190 N/mA = 5 cm

Una masa de 3,1 kg unida a un muelle con k = 190 N/m se separa 5 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.

m = 3,1 kgk = 190 N/mA = 5 cm
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 12 kN/mc = 150 N·s/mm = 50 kg

Una masa de 50 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 12 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 150 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 50 kgk = 12 kN/mc = 150 N·s/m
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 12m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 80 kN/m y el inferior k₂ = 12 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 20 kgk1 = 80 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: t = 3,333 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.

Unidades

v₀ = 90/3,6 = 25 m/s

Tiempo de frenado

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 25/7,5 = 3,333 s

Respuesta

t = 3,333 s
2.Cinemática

Respuesta: t = 3,74 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.

−20 = 13·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 13·t − 20 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (13 + √(13² + 2·9,81·20))/9,81 = 3,74 s

Respuesta

t = 3,74 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: T = 8,175 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.

Aceleración

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

a = (2,5 − 0,5)·9,81/(2,5 + 0,5) = 6,54 m/s²

Tensión a partir de la masa más ligera

T − m2·g = m2·a → T = 0,5·(9,81 + 6,54) = 8,175 N

Respuesta

T = 8,175 N
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 27,9 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.

Aceleración del sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (34,34 − 15,94)/10 = 1,839 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 6,5·1,839 + 15,94 = 27,9 N

Respuesta

T = 27,9 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: x = 70,28 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 = 30·cos 65° = 12,68 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 65° = 27,19 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·27,19/9,81 = 5,543 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 12,68·5,543 = 70,28 m

Respuesta

x = 70,28 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: t = 4,712 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 = 31·cos 40° = 23,75 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 40° = 19,93 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 15 + 19,93·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19,93 + √(397,1 + 294,3))/9,81 = 4,712 s

Respuesta

t = 4,712 s
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 19,56 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) = √(0,6·9,81·65) = 19,56 m/s

Respuesta

vmax = 19,56 m/s (70,42 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 21,06 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 = 1·9,81 + 1·3²/0,8 = 9,81 + 11,25 = 21,06 N

Respuesta

T = 21,06 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: P = 71,44 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 = 1800·9,81 = 17658 N
mg·sin θ = 17658·sin 8° = 2458 N
F = 2458 + 400 = 2858 N

Potencia

v = 90/3,6 = 25 m/s
P = F·v = 2858·25 = 71438 W = 71,44 kW

Respuesta

P = 71,44 kW
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 41,24 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 = 49,05·(3 − 0,2·2) = 127,5 J

Compresión máxima

½kx² = 127,5 → x = √(2·127,5/1500) = 0,4124 m = 41,24 cm

Respuesta

x = 41,24 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: ΔK/K = 43,75 %

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) = 900·16/1600 = 9 m/s

Energía cinética antes y después

Kbefore = ½·900·16² = 115200 J
Kafter = ½·1600·9² = 64800 J

Fracción perdida

ΔK/K = 50400/115200 = 43,75 %

Respuesta

ΔK/K = 43,75 %

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: θ = 9,677 °

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 = 1900·25 = 47500 kg·m/s
py = 900·9 = 8100 kg·m/s

Dirección

tan θ = py/px = 0,1705 → θ = 9,677°

Respuesta

θ = 9,677°
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: R = 31,88 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/(2·2,1) = 7,007 rad/s²

Fuerzas verticales

aG = α·L/2 = 7,357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 13·(9,81 − 7,357) = 31,88 N

Respuesta

R = 31,88 N

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

14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: Ek = 10,13 J

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.

Partes de traslación y de rotación

Etrans = ½·m·v² = ½·1,5·3² = 6,75 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,5·m·r²·(v/r)² = 0,5·6,75 = 3,375 J

Total

Ek = 6,75 + 3,375 = 10,13 J

Respuesta

Ek = 10,13 J
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 13,67 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 = 15,18 m/s

Potencia

P = (1500 − 600)·15,18 = 13666 W = 13,67 kW

Respuesta

P = 13,67 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 18

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 del eje intermedio

nB = nC = 2880·16/48 = 960 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 12·960/640 = 18

Respuesta

ND = 18
17.Muelles y péndulos

Respuesta: v = 0,659 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 = √(190/2,1) = 9,512 rad/s

Velocidad en x

v = ω·√(A² − x²) = 9,512·√(0,07² − 0,01²) = 0,659 m/s

Respuesta

v = 0,659 m/s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: vmax = 0,3914 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 = √(190/3,1) = 7,829 rad/s

Velocidad máxima

vmax = A·ω = 0,05·7,829 = 0,3914 m/s

Respuesta

vmax = 0,3914 m/s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,09682

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·√(12000·50) = 1549 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 150/1549 = 0,09682

Respuesta

ζ = 0,09682

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

20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 3,635 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 en serie soportan la misma fuerza y suman sus deformaciones, así que se combinan como inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/80 + 1/12 → keq = 80·12/(80 + 12) = 10,43 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(10435/20) = 22,84 rad/s
fn = 22,84/(2π) = 3,635 Hz

Respuesta

fn = 3,635 Hz

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