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
policíaa = 2 m/s²coche34 m/s

Un coche que circula a 34 m/s constantes, por encima del límite, adelanta a un coche de policía parado. En ese momento el coche de policía arranca y acelera uniformemente a 2 m/s². ¿Cuánto tarda el coche de policía en alcanzarlo? Halla t.

vcar = 34 m/sapolice = 2 m/s²v0,police = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
d = ?

Se deja caer una piedra desde el reposo en un pozo. El chapoteo se oye 1,7 s después de soltar la piedra. La velocidad del sonido es 343 m/s; desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la profundidad d del pozo.

ttotal = 1,7 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 40°a = ?m = 19 kg

Un bloque de 19 kg baja deslizando por una rampa inclinada 40° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 19 kgθ = 40°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
θ = 35°bloquev₀ = 11,5 m/s

Se da un empujón a un bloque de modo que empieza a subir por una rampa de 35° con una velocidad de 11,5 m/s. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué distancia d recorre por la rampa antes de detenerse?

v₀ = 11,5 m/sθ = 35°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
d = m
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 40 m/s20°alcance

Se lanza una pelota a 20° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 40 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Tiro parabólicoDifícil
21 mv0​ = 36 m/s50°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 36 m/s y 50° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 21 m de altura. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la distancia horizontal x desde el punto de lanzamiento hasta donde cae.

v₀ = 36 m/sθ = 50°hroof = 21 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 80 mvmax​ = ?

Un coche pasa por la cima de un cambio de rasante, que es un arco de circunferencia de radio 80 m. Usa g = 9,81 m/s². ¿Por encima de qué velocidad vmax las ruedas se separan de la carretera en la cima?

r = 80 mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 1 mv = ?

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola atada a una cuerda de 1 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 = 1 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
35°d = 5 mμ = 0,4

Un bloque de 0,5 kg desliza 5 m por una rampa inclinada 35° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,4. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 0,5 kgθ = 35°μ = 0,4d = 5 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 2,5 mL = 1,5 mμ = 0,25k = 800 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 4 kg a una altura de 2,5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 1,5 m (μ = 0,25) y después choca contra un muelle (k = 800 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 4 kgh = 2,5 mL = 1,5 mμ = 0,25k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
1400 kg22 m/s1000 kg

Un coche de 1400 kg que se mueve a 22 m/s choca con un coche parado de 1000 kg y ambos quedan unidos. ¿Cuánta energía cinética ΔK se pierde en el choque?

m1 = 1400 kgv1 = 22 m/sm2 = 1000 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
27 m/s13 m/s

Una pelota de 0,5 kg golpea una pared a 27 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 13 m/s. El contacto dura 20 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,5 kgvin = 27 m/svout = 13 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
v = ?L = 1,7 mm = 8,5 kg

Una barra esbelta uniforme de masa 8,5 kg y longitud 1,7 m está articulada por un extremo y se suelta desde el reposo en posición horizontal. Ignora el rozamiento y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v del extremo libre cuando la barra pasa por la posición vertical.

m = 8,5 kgL = 1,7 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 25°as = 9 m

Un cuerpo (esfera maciza) rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 25° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Parte del reposo. ¿Cuánto tiempo t tarda en rodar 9 m por la pendiente?

θ = 25°I = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²s = 9 m
t = s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 125 mmd2​ = 250 mm960 rpmn2​ = ?

Una polea de 125 mm a 960 rpm acciona una polea de 250 mm mediante una correa con un 1 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 960 rpmd1 = 125 mmd2 = 250 mms = 1 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 36C = 25D = 40

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (12 dientes), en el eje de entrada que gira a 1440 rpm, acciona el engranaje B (36 dientes). El engranaje C (25 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (40 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1440 rpmA = 12B = 36C = 25D = 40
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

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

T = 1,9 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
0,3 kgk = 450 N/m

Una masa de 0,3 kg se une al extremo inferior de un muelle vertical sin estirar con k = 450 N/m y se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax de la masa.

m = 0,3 kgk = 450 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx10 mm1 ciclo5,3 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 10 mm le sigue un ciclo después un pico de 5,3 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 10 mmx1 = 5,3 mmn = 1
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 15m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 40 kN/m y k₂ = 15 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 5 kgk1 = 40 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: t = 34 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.

Distancias iguales

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·34/2 = 34 s

Respuesta

t = 34 s

En ese momento el coche de policía va a 2v = 68 m/s.

2.Cinemática

Respuesta: d = 13,53 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.

Las dos partes del tiempo

½·9,81·t₁² = 343·(1,7 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 583,1 = 0

Tiempo de caída

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·583,1))/(2·4,905) = 1,661 s

Profundidad

d = ½·9,81·1,661² = 13,53 m

Respuesta

d = 13,53 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 5,554 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 de la rampa

Rampa abajo es positivo.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Aceleración

a = 9,81·(sin 40° − 0,1·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,0766) = 5,554 m/s²

Respuesta

a = 5,554 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: d = 10,28 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 35° + 0,1·cos 35°) = 6,43 m/s²

Distancia

d = v₀²/(2a) = 11,5²/(2·6,43) = 10,28 m

Respuesta

d = 10,28 m
5.Tiro parabólico

Respuesta: t = 2,789 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 = 40·cos 20° = 37,59 m/s
vy = v0·sin θ = 40·sin 20° = 13,68 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·13,68/9,81 = 2,789 s

Respuesta

t = 2,789 s
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 109,1 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

vx = 23,14 m/s, vy = 27,58 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

21 = 27,58·t − 4,905·t²
t = (27,58 + √(27,58² − 2·9,81·21))/9,81 = 4,714 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 23,14·4,714 = 109,1 m

Respuesta

x = 109,1 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 28,01 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.

Fuerza normal nula

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·80) = 28,01 m/s

Respuesta

vmax = 28,01 m/s
(100,9 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 3,132 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) = √(9,81·1) = 3,132 m/s

Respuesta

vmin = 3,132 m/s
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 8,036 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 = 4,905·0,8192 = 4,018 N
F = μN = 0,4·4,018 = 1,607 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 1,607·5 = 8,036 J

Respuesta

Wf = 8,036 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 45,66 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·(2,5 − 0,25·1,5) = 83,39 J

Compresión máxima

½kx² = 83,39 → x = √(2·83,39/800) = 0,4566 m = 45,66 cm

Respuesta

x = 45,66 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: ΔK = 141167 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) = 1400·22/2400 = 12,83 m/s

Energía cinética antes y después

Kbefore = ½·1400·22² = 338800 J
Kafter = ½·2400·12,83² = 197633 J

Energía perdida

ΔK = 338800 − 197633 = 141167 J

Respuesta

ΔK = 141167 J

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 1000 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 = 0,5·(13 + 27) = 20 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 20/0,02 = 1000 N

Respuesta

Favg = 1000 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 7,073 m/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.

Pérdida de energía potencial

m·g·L/2 = 8,5·9,81·0,85 = 70,88 J

Momento de inercia respecto al pasador

IO = m·L²/3 = 8,5·1,7²/3 = 8,188 kg·m²

Balance de energía

½·IO·ω² = 70,88 → ω = √(2·70,88/8,188) = 4,161 rad/s
v = ω·L = 4,161·1,7 = 7,073 m/s

Respuesta

v = 7,073 m/s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: t = 2,465 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.

Ecuaciones del movimiento

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,4·m·r²·(a/r) → f = 0,4·m·a

Aceleración

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 25°/1,4 = 2,961 m/s²

Tiempo

s = ½·a·t² → t = √(2·9/2,961) = 2,465 s

Respuesta

t = 2,465 s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 475,2 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

960·125/250 = 480 rpm

Con deslizamiento

n2 = 480·0,99 = 475,2 rpm

Respuesta

n2 = 475,2 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 300 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 = 1440·12/36 = 480 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 480·25/40 = 300 rpm

Respuesta

nout = 300 rpm

relación total = 4,8 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 0,897 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·(1,9/2π)² = 0,897 m

Respuesta

L = 0,897 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: vmax = 0,2533 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.

Equilibrio y amplitud

x₀ = m·g/k = 0,3·9,81/450 = 0,00654 m = A

Velocidad máxima

La velocidad es máxima en el equilibrio.

ω = √(450/0,3) = 38,73 rad/s
vmax = A·ω = 0,00654·38,73 = 0,2533 m/s

Respuesta

vmax = 0,2533 m/s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1005

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(10/5,3) = 0,6349

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6349/√(39,48 + 0,4031) = 0,1005

Respuesta

ζ = 0,1005
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 55 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 = 40 + 15 = 55 kN/m

Respuesta

keq = 55 kN/m

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