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 = ?15

Un coche que circula a 54 km/h frena con una deceleración constante de 8 m/s² hasta detenerse. ¿Cuánto dura la frenada? Halla t.

v₀ = 54 km/ha = −8 m/s²v = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
a = 38 m/s²

Un cohete de modelismo se lanza verticalmente hacia arriba desde el reposo. Su motor le da una aceleración constante hacia arriba de 38 m/s² durante 1 s; después el motor se apaga y el cohete se mueve libremente. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la altura máxima hmax que alcanza el cohete.

a = 38 m/s²t1 = 1 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
9 kg2,5 kg

Dos masas de 9 kg y 2,5 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 = 9 kgm2 = 2,5 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 2 kg2 kgθ = 35°

Un bloque de 2 kg sobre una rampa de 35° está unido mediante un hilo ligero, que pasa por una polea sin rozamiento en lo alto de la rampa, a una masa colgante de 2 kg. La masa colgante baja. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la rampa es 0,15. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.

m1 = 2 kgm2 = 2 kgθ = 35°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
79 my = ?v0​ = 36 m/s45°

Se chuta una pelota desde un terreno horizontal a 36 m/s y 45° por encima de la horizontal hacia una pared situada a 79 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura y pasa la pelota por la pared?

v₀ = 36 m/sθ = 45°x = 79 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 25 mv0​ = 28 m/s55°v = ?

Se lanza una pelota a 28 m/s y 55° por encima de la horizontal desde lo alto de un acantilado de 25 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v con la que llega al suelo.

v₀ = 28 m/sθ = 55°h = 25 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
7.Movimiento circularMedia
r = 65 m11 m/s

Un coche de 1700 kg pasa por la cima de un cambio de rasante a 11 m/s. La cima es un arco de circunferencia de radio 65 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza normal N de la carretera sobre el coche en la cima.

m = 1700 kgv = 11 m/sr = 65 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,5 mv = 8,5 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 0,9 kg atada a una cuerda de 0,5 m. En el punto más bajo se mueve a 8,5 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 0,9 kgr = 0,5 mv = 8,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
30°d = 5 mμ = 0,1

Un bloque de 5 kg desliza 5 m por una rampa inclinada 30° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,1. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 5 kgθ = 30°μ = 0,1d = 5 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
F = 60 N20°μ = 0,28 kg

Un bloque de 8 kg parte del reposo al pie de una pendiente de 20° y se tira de él pendiente arriba con una fuerza constante de 60 N paralela a la pendiente. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2. Halla la velocidad v del bloque tras recorrer 8 m pendiente arriba.

m = 8 kgF = 60 Nθ = 20°μ = 0,2d = 8 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
1000 kg13 m/s900 kg

Un coche de 1000 kg que se mueve a 13 m/s choca con un coche parado de 900 kg y ambos quedan unidos. ¿Cuánta energía cinética ΔK se pierde en el choque?

m1 = 1000 kgv1 = 13 m/sm2 = 900 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
14 m/s18 m/s

Una pelota de 0,35 kg golpea una pared a 14 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 18 m/s. El contacto dura 5 ms. Halla el módulo del impulso J que la pared ejerce sobre la pelota.

m = 0,35 kgvin = 14 m/svout = 18 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 0,5 mm = 6 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 6 kg y longitud 0,5 m está articulada por un extremo y se mantiene horizontal. Se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla su aceleración angular α justo después de soltarla.

m = 6 kgL = 0,5 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 15°a

Un cuerpo (aro delgado) rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 15° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla el menor coeficiente de rozamiento estático μs que evita que deslice.

θ = 15°I = m·r²g = 9,81 m/s²
μs =
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 160 mmd2​ = 500 mm960 rpmT1​ = 400 NT2​ = 200 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 160 mm a 960 rpm. La tensión es de 400 N en el ramal tenso y de 200 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 160 mmn1 = 960 rpmT1 = 400 NT2 = 200 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
Ns​ = 20corona fijaNp​ = 15nc​ = ?

En un tren epicicloidal el planeta (sol) tiene 20 dientes y cada satélite tiene 15 dientes. La corona se mantiene fija y el planeta se acciona a 1440 rpm. Halla la velocidad nc del portasatélites.

Ns = 20Np = 15ns = 1440 rpm
nc = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

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

T = 1,1 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
2 kgk = 80 N/mA = 15 cm

Una masa de 2 kg unida a un muelle con k = 80 N/m se separa 15 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.

m = 2 kgk = 80 N/mA = 15 cm
amax = m/s²
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 15 kN/mc = 350 N·s/mm = 50 kg

Una masa de 50 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 15 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 350 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 50 kgk = 15 kN/mc = 350 N·s/m
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 25m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 40 kN/m y el inferior k₂ = 25 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 10 kgk1 = 40 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: t = 1,875 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 = 54/3,6 = 15 m/s

Tiempo de frenado

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 15/8 = 1,875 s

Respuesta

t = 1,875 s
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 92,6 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.

Fase propulsada

v₁ = 38·1 = 38 m/s
h₁ = ½·38·1² = 19 m

Vuelo libre hacia arriba

En el punto más alto la velocidad es nula.

Δh = v₁²/(2g) = 38²/(2·9,81) = 73,6 m
hmax = 19 + 73,6 = 92,6 m

Respuesta

hmax = 92,6 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: T = 38,39 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 = (9 − 2,5)·9,81/(9 + 2,5) = 5,545 m/s²

Tensión a partir de la masa más ligera

T − m2·g = m2·a → T = 2,5·(9,81 + 5,545) = 38,39 N

Respuesta

T = 38,39 N
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 1,489 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.

Fuerzas a lo largo del hilo

m₂·g = 19,62 N
m₁·g·sin θ = 11,25 N
μ·m₁·g·cos θ = 2,411 N

Aceleración del sistema

a = (19,62 − 11,25 − 2,411)/4 = 1,489 m/s²

Respuesta

a = 1,489 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: y = 31,76 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.

Tiempo hasta la pared

vx = 36·cos 45° = 25,46 m/s
t = x/vx = 79/25,46 = 3,103 s

Altura en ese instante

y = 25,46·3,103 − ½·9,81·3,103² = 31,76 m

Respuesta

y = 31,76 m

En la pared la pelota ya está bajando.

6.Tiro parabólico

Respuesta: v = 35,7 m/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

vx = 28·cos 55° = 16,06 m/s
vy0 = 28·sin 55° = 22,94 m/s

Velocidad vertical en el impacto

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

vy = √(22,94² + 2·9,81·25) = 31,88 m/s

Velocidad de impacto

v = √(16,06² + 31,88²) = 35,7 m/s

Respuesta

v = 35,7 m/s

Comprobación con la energía: v² = v₀² + 2gh.

7.Movimiento circular

Respuesta: N = 13512 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 lo más alto

Hacia el centro (hacia abajo) es positivo.

m·g − N = m·v²/r
N = 1700·9,81 − 1700·11²/65 = 16677 − 3165 = 13512 N

Respuesta

N = 13512 N

El coche parece más ligero: la carretera empuja hacia arriba menos que su peso.

8.Movimiento circular

Respuesta: T = 138,9 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 + 0,9·8,5²/0,5 = 8,829 + 130,1 = 138,9 N

Respuesta

T = 138,9 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 21,24 J

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).

Fuerza de rozamiento

N = mg·cos θ = 49,05·0,866 = 42,48 N
F = μN = 0,1·42,48 = 4,248 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 4,248·5 = 21,24 J

Respuesta

Wf = 21,24 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 6,068 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).

Fuerzas a lo largo de la rampa

m·g = 8·9,81 = 78,48 N
mg·sin θ = 26,84 N
μ·mg·cos θ = 14,75 N

Trabajo y energía

½mv² = (60 − 41,59)·8 = 147,3 J
v = √(2·147,3/8) = 6,068 m/s

Respuesta

v = 6,068 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: ΔK = 40026 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) = 1000·13/1900 = 6,842 m/s

Energía cinética antes y después

Kbefore = ½·1000·13² = 84500 J
Kafter = ½·1900·6,842² = 44474 J

Energía perdida

ΔK = 84500 − 44474 = 40026 J

Respuesta

ΔK = 40026 J

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: J = 11,2 N·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.

Variación de la cantidad de movimiento

J = m·Δv = 0,35·(18 + 14) = 11,2 N·s

Respuesta

J = 11,2 N·s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: α = 29,43 rad/s²

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/(2·0,5) = 29,43 rad/s²

Respuesta

α = 29,43 rad/s²
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: μs = 0,134

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 = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

Aceleración

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 15°/2 = 1,27 m/s²

Rozamiento necesario

f = c·m·a ≤ μ·m·g·cos θ → μ ≥ c·tan θ/(1 + c)
μs = 1·tan 15°/2 = 0,134

Respuesta

μs = 0,134
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 1,608 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 = 8,042 m/s

Potencia

P = (400 − 200)·8,042 = 1608 W = 1,608 kW

Respuesta

P = 1,608 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nc = 411,4 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 = 20 + 2·15 = 50

Ecuación de Willis con la corona fija

Haz nr = 0 y despeja la velocidad del portasatélites.

(1440 − nc)/(0 − nc) = −50/20
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1440·20/70 = 411,4 rpm

Respuesta

nc = 411,4 rpm

El portasatélites gira en el mismo sentido que el planeta.

17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 0,3007 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·(1,1/2π)² = 0,3007 m

Respuesta

L = 0,3007 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: amax = 6 m/s²

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 = √(80/2) = 6,325 rad/s

Aceleración máxima

amax = A·ω² = 0,15·6,325² = 6 m/s²

Respuesta

amax = 6 m/s²
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,2021

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·√(15000·50) = 1732 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 350/1732 = 0,2021

Respuesta

ζ = 0,2021

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

20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 6,243 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 = 1/40 + 1/25 → keq = 40·25/(40 + 25) = 15,38 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(15385/10) = 39,22 rad/s
fn = 39,22/(2π) = 6,243 Hz

Respuesta

fn = 6,243 Hz

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