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)2,308 s15

Un coche que circula a 54 km/h frena con una deceleración constante de 6,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 54 km/ha = −6,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 12 m/s20 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 12 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. Halla la altura máxima hmax sobre el suelo.

v₀ = 12 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 30°40 kgF = ?

Se empuja una caja de 40 kg rampa arriba, con una inclinación de 30° respecto a la horizontal, a velocidad constante, mediante una fuerza paralela a la rampa. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza de empuje F.

m = 40 kgθ = 30°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
F = N
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 1,5 kg2 kgsin rozamiento

Un bloque de 1,5 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 2 kg. La mesa no tiene rozamiento. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 1,5 kgm2 = 2 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = ?20°R = 105 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 20° por encima de la horizontal y cae a 105 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad de lanzamiento v0.

θ = 20°R = 105 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 20 mv0​ = 24 m/s35°H = ?

Se lanza una pelota a 24 m/s y 35° por encima de la horizontal desde lo alto de un acantilado de 20 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 = 24 m/sθ = 35°h = 20 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Movimiento circularMedia
θ = 15°hacia el centrov = ?

Una curva de radio 330 m tiene un peralte de 15°. ¿A qué velocidad v puede tomarla un coche sin necesitar ningún rozamiento? Usa g = 9,81 m/s².

r = 330 mθ = 15°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 1,4 mv = 5 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 1,8 kg atada a una cuerda de 1,4 m. En el punto más bajo se mueve a 5 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 1,8 kgr = 1,4 mv = 5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
36 km/h6°800 kg

Un coche de 800 kg sube por una pendiente de 6° a 36 km/h constantes. La resistencia del aire y la resistencia a la rodadura suman en total 450 N. Halla la potencia P que deben entregar las ruedas, en kW.

m = 800 kgθ = 6°Fr = 450 Nv = 36 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
10.Trabajo y energíaDifícil
F = 70 N15°μ = 0,38 kg

Un bloque de 8 kg parte del reposo al pie de una pendiente de 15° y se tira de él pendiente arriba con una fuerza constante de 70 N paralela a la pendiente. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3. Halla la velocidad v del bloque tras recorrer 9 m pendiente arriba.

m = 8 kgF = 70 Nθ = 15°μ = 0,3d = 9 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
5 kg5 m/s2 kg

Un deslizador de 5 kg que se mueve a 5 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 2 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 = 2 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
2 kgv = ?8 g10°L = 1,1 m

Una bala de 8 g se dispara horizontalmente contra un bloque de 2 kg que cuelga de hilos ligeros de 1,1 m de longitud, y se queda incrustada en él. Los hilos oscilan hasta un ángulo máximo de 10° con la vertical. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 8 gM = 2 kgL = 1,1 mθ = 10°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
15 kgaαM = 7,5 kgR = 0,45 m

Un bloque de 15 kg cuelga de una cuerda ligera enrollada en una polea, un disco macizo uniforme de masa 7,5 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 tensión T en la cuerda.

m = 15 kgM = 7,5 kgR = 0,45 mg = 9,81 m/s²
T = N
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
0,65 m0,3 mn1​ = 40 rpm

Una persona está de pie sobre un plato giratorio sin rozamiento y sostiene una pesa de 5,5 kg en cada mano, a 0,65 m del eje. La persona y el plato solos tienen un momento de inercia de 1,5 kg·m² respecto al eje. Giran a 40 rpm y luego acercan las pesas hasta 0,3 m del eje. Trata las pesas como masas puntuales. Halla la nueva velocidad n2 en rpm.

I0 = 1,5 kg·m²m = 2 × 5,5 kgr1 = 0,65 mr2 = 0,3 mn1 = 40 rpm
n2 = rpm
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 100 mmd2​ = 250 mm1450 rpmn2​ = ?

Una polea de 100 mm a 1450 rpm acciona una polea de 250 mm mediante una correa con un 4 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1450 rpmd1 = 100 mmd2 = 250 mms = 4 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 20B = 48C = 24D = 30

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (20 dientes), en el eje de entrada que gira a 960 rpm, acciona el engranaje B (48 dientes). El engranaje C (24 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (30 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 960 rpmA = 20B = 48C = 24D = 30
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

¿Qué longitud debe tener un péndulo simple para que su periodo sea de 2,9 s? Usa g = 9,81 m/s². Halla L.

T = 2,9 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
mk = 290 N/mA = 7 cmx = 1 cm

Una masa unida a un muelle con k = 290 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 7 cm. Halla su energía cinética K cuando está a 1 cm del equilibrio.

k = 290 N/mA = 7 cmx = 1 cm
K = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx30 mm1 ciclo24,8 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 30 mm le sigue un ciclo después un pico de 24,8 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 30 mmx1 = 24,8 mmn = 1
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 50m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 5 kN/m y k₂ = 50 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 = 100 kgk1 = 5 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 17,31 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 = 54/3,6 = 15 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 15²/(2·6,5) = 17,31 m

Respuesta

s = 17,31 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 27,34 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 = 20 + 7,339 = 27,34 m

Respuesta

hmax = 27,34 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: F = 264,2 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 = 196,2 + 67,97 = 264,2 N

Respuesta

F = 264,2 N
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 8,409 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) = (19,62 − 0)/3,5 = 5,606 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1,5·5,606 + 0 = 8,409 N

Respuesta

T = 8,409 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: v0 = 40,03 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.

Despeja v₀ de la fórmula del alcance

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·105/sin 40°) = 40,03 m/s

Respuesta

v0 = 40,03 m/s
6.Tiro parabólico

Respuesta: H = 29,66 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 = 24·sin 35° = 13,77 m/s

Subida por encima del acantilado

Δh = vy²/(2g) = 13,77²/(2·9,81) = 9,658 m

Altura sobre el suelo

H = 20 + 9,658 = 29,66 m

Respuesta

H = 29,66 m
7.Movimiento circular

Respuesta: v = 29,45 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.

Equilibrio de fuerzas

N·cos θ = m·g, N·sin θ = m·v²/r → tan θ = v²/(r·g)

Rapidez

v = √(r·g·tan θ) = √(330·9,81·tan 15°) = 29,45 m/s

Respuesta

v = 29,45 m/s
(106 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 49,8 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 = 1,8·9,81 + 1,8·5²/1,4 = 17,66 + 32,14 = 49,8 N

Respuesta

T = 49,8 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: P = 12,7 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 = 800·9,81 = 7848 N
mg·sin θ = 7848·sin 6° = 820,3 N
F = 820,3 + 450 = 1270 N

Potencia

v = 36/3,6 = 10 m/s
P = F·v = 1270·10 = 12703 W = 12,7 kW

Respuesta

P = 12,7 kW
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 7,786 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 = 20,31 N
μ·mg·cos θ = 22,74 N

Trabajo y energía

½mv² = (70 − 43,05)·9 = 242,5 J
v = √(2·242,5/8) = 7,786 m/s

Respuesta

v = 7,786 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = 2,143 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 − 2)/(5 + 2)·5 = 2,143 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 2)·5 = 7,143 m/s

Respuesta

v′1 = 2,143 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 143,7 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) = 1,1·(1 − cos 10°) = 0,01671 m

Velocidad tras el impacto

V = √(2·9,81·0,01671) = 0,5726 m/s

Choque

v = (m + M)·V/m = 2,008·0,5726/0,008 = 143,7 m/s

Respuesta

v = 143,7 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: T = 29,43 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.

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) = 15·9,81/(15 + 3,75) = 7,848 m/s²

Tensión

T = m·(g − a) = 15·(9,81 − 7,848) = 29,43 N

Respuesta

T = 29,43 N
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: n2 = 98,76 rpm

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.

Momentos de inercia

I1 = 1,5 + 2·5,5·0,65² = 6,147 kg·m²
I2 = 1,5 + 2·5,5·0,3² = 2,49 kg·m²

Conservación del momento angular

n2 = n1·I1/I2 = 40·6,147/2,49 = 98,76 rpm

Respuesta

n2 = 98,76 rpm

La energía cinética aumenta: la energía extra procede del trabajo que realiza la persona al acercar las pesas.

15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 556,8 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

1450·100/250 = 580 rpm

Con deslizamiento

n2 = 580·0,96 = 556,8 rpm

Respuesta

n2 = 556,8 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 320 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 = 960·20/48 = 400 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 400·24/30 = 320 rpm

Respuesta

nout = 320 rpm

relación total = 3 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 2,09 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·(2,9/2π)² = 2,09 m

Respuesta

L = 2,09 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: K = 0,696 J

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.

Energía total

E = ½·k·A² = ½·290·0,07² = 0,7105 J

Energía del muelle en x

U = ½·k·x² = ½·290·0,01² = 0,0145 J

Energía cinética

K = 0,7105 − 0,0145 = 0,696 J

Respuesta

K = 0,696 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,03028

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 = (1/1)·ln(30/24,8) = 0,1904

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1904/√(39,48 + 0,03623) = 0,03028

Respuesta

ζ = 0,03028
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 3,733 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

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 = 5 + 50 = 55 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(55000/100) = 23,45 rad/s
fn = 23,45/(2π) = 3,733 Hz

Respuesta

fn = 3,733 Hz

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