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)4,938 s22,22

Un coche que circula a 80 km/h frena con una deceleración constante de 4,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 80 km/ha = −4,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
a = 24 m/s²

Un cohete de modelismo se lanza verticalmente hacia arriba desde el reposo. Su motor le da una aceleración constante hacia arriba de 24 m/s² durante 2 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 = 24 m/s²t1 = 2 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
8,5 kg3,5 kg

Dos masas de 8,5 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 = 8,5 kgm2 = 3,5 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 6,5 kg5 kgθ = 35°

Un bloque de 6,5 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 5 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 tensión T de la cuerda.

m1 = 6,5 kgm2 = 5 kgθ = 35°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = ?25°R = 30 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 25° por encima de la horizontal y cae a 30 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad de lanzamiento v0.

θ = 25°R = 30 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 15 mv0​ = 19 m/s50°H = ?

Se lanza una pelota a 19 m/s y 50° por encima de la horizontal desde lo alto de un acantilado de 15 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 = 19 m/sθ = 50°h = 15 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Movimiento circularMedia
r = 90 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 90 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,4. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 90 mμs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 1 mv = 6,5 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 1,2 kg atada a una cuerda de 1 m. En el punto más bajo se mueve a 6,5 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 1,2 kgr = 1 mv = 6,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
35°d = 4 mμ = 0,25

Un bloque baja desde el reposo por una rampa inclinada 35° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25. Halla su velocidad v tras deslizar 4 m por la rampa.

θ = 35°μ = 0,25d = 4 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 5 mL = 1,5 mμ = 0,3k = 1500 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 1,5 m (μ = 0,3) y después choca contra un muelle (k = 1500 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la velocidad v del bloque cuando llega al muelle.

m = 2 kgh = 5 mL = 1,5 mμ = 0,3k = 1500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
2000 kg16 m/s1000 kg

Un coche de 2000 kg que se mueve a 16 m/s choca con un coche parado de 1000 kg y ambos quedan unidos. ¿Qué porcentaje ΔK/K de la energía cinética inicial se pierde?

m1 = 2000 kgv1 = 16 m/sm2 = 1000 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1900 kgv1​ = ?1600 kg

Un coche de 1900 kg choca con un coche aparcado de 1600 kg. Los restos quedan unidos y derrapan 4,5 m antes de detenerse. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,6. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v1 del primer coche justo antes del choque.

m1 = 1900 kgm2 = 1600 kgd = 4,5 mμ = 0,6g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 0,6 mm = 4 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 4 kg y longitud 0,6 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 = 4 kgL = 0,6 mg = 9,81 m/s²
R = N
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 10°vs = 1,5 m

Un cuerpo (aro delgado) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 10° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Su radio es 0,25 m. Halla su velocidad angular ω después de haber rodado 1,5 m a lo largo de la pendiente.

θ = 10°s = 1,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,25 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 50N2​ = 60

Un motor de 11 kW que gira a 1500 rpm acciona un piñón de 50 dientes, que engrana con una rueda de 60 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 98 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 11 kWn1 = 1500 rpmN1 = 50N2 = 60η = 98%
T2 = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm1440 rpmC = 1200 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 160 mm y una polea de 200 mm cuyos centros están separados 1200 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 160 mmd2 = 200 mmC = 1200 mm
θ = °
17.Muelles y péndulosMedia
t (s)x (cm)0,95 s

Una masa de 3,6 kg unida a un muelle con k = 380 N/m se desplaza 14 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su desplazamiento x respecto al equilibrio en t = 0,95 s (con signo).

m = 3,6 kgk = 380 N/mA = 14 cmt = 0,95 s
x = cm
18.Muelles y péndulosDifícil
1,4 kgk = 320 N/mA = 12 cm

Una masa de 1,4 kg unida a un muelle con k = 320 N/m se separa 12 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.

m = 1,4 kgk = 320 N/mA = 12 cm
E = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx12 mm2 ciclos6,4 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 12 mm le sigue 2 ciclos después un pico de 6,4 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 12 mmx2 = 6,4 mmn = 2
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 12k3​ = 30m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga del muelle k₃ = 30 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 12 kN/m y k₂ = 12 kN/m; la barra se mantiene horizontal. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles y de la barra. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 100 kgk1 = 12 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 54,87 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/(2·4,5) = 54,87 m

Respuesta

s = 54,87 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 165,4 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 = 24·2 = 48 m/s
h₁ = ½·24·2² = 48 m

Vuelo libre hacia arriba

En el punto más alto la velocidad es nula.

Δh = v₁²/(2g) = 48²/(2·9,81) = 117,4 m
hmax = 48 + 117,4 = 165,4 m

Respuesta

hmax = 165,4 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 4,088 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 = (8,5 − 3,5)·9,81/(8,5 + 3,5) = 4,088 m/s²

Respuesta

a = 4,088 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 47,03 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 del hilo

m₂·g = 49,05 N
m₁·g·sin θ = 36,57 N
μ·m₁·g·cos θ = 7,835 N

Aceleración del sistema

a = (49,05 − 36,57 − 7,835)/11,5 = 0,4036 m/s²

Tensión a partir de la masa colgante

m2·g − T = m2·a → T = 5·(9,81 − 0,4036) = 47,03 N

Respuesta

T = 47,03 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: v0 = 19,6 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) = √(9,81·30/sin 50°) = 19,6 m/s

Respuesta

v0 = 19,6 m/s
6.Tiro parabólico

Respuesta: H = 25,8 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 = 19·sin 50° = 14,55 m/s

Subida por encima del acantilado

Δh = vy²/(2g) = 14,55²/(2·9,81) = 10,8 m

Altura sobre el suelo

H = 15 + 10,8 = 25,8 m

Respuesta

H = 25,8 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 18,79 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) = √(0,4·9,81·90) = 18,79 m/s

Respuesta

vmax = 18,79 m/s (67,65 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 62,47 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 = 1,2·9,81 + 1,2·6,5²/1 = 11,77 + 50,7 = 62,47 N

Respuesta

T = 62,47 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: v = 5,38 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).

Balance de energía a lo largo de la rampa

El bloque baja una altura d·sin θ mientras el rozamiento le quita μmg·cos θ·d. La masa se cancela.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·4·(0,5736 − 0,25·0,8192)) = 5,38 m/s

Respuesta

v = 5,38 m/s
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 9,448 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).

Energía tras la franja rugosa

La rampa es lisa, así que solo la franja quita energía.

mgh − μmgL = 19,62·(5 − 0,3·1,5) = 89,27 J

Velocidad al llegar al muelle

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·4,55) = 9,448 m/s

Respuesta

v = 9,448 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: ΔK/K = 33,33 %

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) = 2000·16/3000 = 10,67 m/s

Energía cinética antes y después

Kbefore = ½·2000·16² = 256000 J
Kafter = ½·3000·10,67² = 170667 J

Fracción perdida

ΔK/K = 85333/256000 = 33,33 %

Respuesta

ΔK/K = 33,33 %

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v1 = 13,41 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.

Velocidad tras el choque

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0,6·9,81·4,5) = 7,278 m/s

Cantidad de movimiento en el choque

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3500·7,278/1900 = 13,41 m/s

Respuesta

v1 = 13,41 m/s
(48,27 km/h)
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: R = 9,81 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/(2·0,6) = 24,53 rad/s²

Fuerzas verticales

aG = α·L/2 = 7,357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 4·(9,81 − 7,357) = 9,81 N

Respuesta

R = 9,81 N

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

14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 6,394 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 = 1,5·sin 10° = 0,2605 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 = √(2·9,81·0,2605/2) = 1,599 m/s
ω = v/r = 1,599/0,25 = 6,394 rad/s

Respuesta

ω = 6,394 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 82,35 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.

Par del motor

ω₁ = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/157,1 = 70,03 N·m

Par de salida

T2 = 70,03·60/50·0,98 = 82,35 N·m

Respuesta

T2 = 82,35 N·m
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 178,1 °

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.

Ángulo de la correa

asin(0,01667) = 0,955°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·0,955 = 178,1°

Respuesta

θ = 178,1°
17.Muelles y péndulos

Respuesta: x = −13,22 cm

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 = √(380/3,6) = 10,27 rad/s
ω·t = 10,27·0,95 = 9,76 rad

Desplazamiento

x = A·cos(ω·t) = 14·cos(9,76) = −13,22 cm

Respuesta

x = −13,22 cm
18.Muelles y péndulos

Respuesta: E = 2,304 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.

Frecuencia angular

ω = √(320/1,4) = 15,12 rad/s

Energía

E = ½·k·A² = ½·320·0,12² = 2,304 J

Respuesta

E = 2,304 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,04996

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 = (1/2)·ln(12/6,4) = 0,3143

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3143/√(39,48 + 0,09879) = 0,04996

Respuesta

ζ = 0,04996
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 1,838 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

Solo k1 y k2 están en paralelo. Ese par está en serie con k3, así que combínalos como inversos.

k12 = 12 + 12 = 24 kN/m
keq = 24·30/(24 + 30) = 13,33 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(13333/100) = 11,55 rad/s
fn = 11,55/(2π) = 1,838 Hz

Respuesta

fn = 1,838 Hz

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