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)2,143 s15

Un coche que circula a 54 km/h frena con una deceleración constante de 7 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 54 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 9 m/s40 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 9 m/s desde el borde de un tejado situado a 40 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 = 9 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
7,5 kg1 kg

Dos masas de 7,5 kg y 1 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 = 7,5 kgm2 = 1 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 9,5 kg5,5 kgμ = 0,25

Un bloque de 9,5 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 5,5 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 = 9,5 kgm2 = 5,5 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 36 m/s40°alcance

Se lanza una pelota a 40° 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 = 36 m/sθ = 40°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 20 mv0​ = 12 m/s30°H = ?

Se lanza una pelota a 12 m/s y 30° 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 = 12 m/sθ = 30°h = 20 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Movimiento circularMedia
r = 70 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 70 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 70 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 1,1 mv = 9 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 0,2 kg atada a una cuerda de 1,1 m. En el punto más bajo se mueve a 9 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 0,2 kgr = 1,1 mv = 9 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
40°d = 17 mμ = 0,4

Un bloque de 10 kg desliza 17 m por una rampa inclinada 40° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,4. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 10 kgθ = 40°μ = 0,4d = 17 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 1,5 mL = 1 mμ = 0,25k = 5000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 2 kg a una altura de 1,5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 1 m (μ = 0,25) y después choca contra un muelle (k = 5000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 2 kgh = 1,5 mL = 1 mμ = 0,25k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
1500 kg5 m/s600 kg

Un coche de 1500 kg que se mueve a 5 m/s choca con un coche parado de 600 kg y ambos quedan unidos. ¿Cuánta energía cinética ΔK se pierde en el choque?

m1 = 1500 kgv1 = 5 m/sm2 = 600 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1300 kgv1​ = ?800 kg

Un coche de 1300 kg choca con un coche aparcado de 800 kg. Los restos quedan unidos y derrapan 7 m antes de detenerse. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,5. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v1 del primer coche justo antes del choque.

m1 = 1300 kgm2 = 800 kgd = 7 mμ = 0,5g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
6 kgaαM = 6,5 kgR = 0,15 m

Un bloque de 6 kg cuelga de una cuerda ligera enrollada en una polea, un disco macizo uniforme de masa 6,5 kg y radio 0,15 m que gira sobre un eje horizontal sin rozamiento. El bloque se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque.

m = 6 kgM = 6,5 kgR = 0,15 mg = 9,81 m/s²
a = m/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 20°vs = 7,5 m

Un cuerpo (esfera maciza) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 20° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla su velocidad v después de haber rodado 7,5 m a lo largo de la pendiente.

θ = 20°s = 7,5 mI = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 125 mmd2​ = 450 mm960 rpmn2​ = ?

Una polea de 125 mm a 960 rpm acciona una polea de 450 mm mediante una correa con un 2 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 960 rpmd1 = 125 mmd2 = 450 mms = 2 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
Ns​ = 20corona fijaNp​ = 18nc​ = ?

En un tren epicicloidal el planeta (sol) tiene 20 dientes y cada satélite tiene 18 dientes. La corona se mantiene fija y el planeta se acciona a 900 rpm. Halla la velocidad nc del portasatélites.

Ns = 20Np = 18ns = 900 rpm
nc = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = 0,7 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 0,7 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 0,7 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
mk = 270 N/mA = 17 cmx = 15 cm

Una masa unida a un muelle con k = 270 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 17 cm. Halla su energía cinética K cuando está a 15 cm del equilibrio.

k = 270 N/mA = 17 cmx = 15 cm
K = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 200 kN/mζ = 0,3m = 15 kg

Una masa de 15 kg sobre un muelle con una rigidez de 200 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,3. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 15 kgk = 200 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 40k3​ = 50m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga del muelle k₃ = 50 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 30 kN/m y k₂ = 40 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 = 25 kgk1 = 30 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 16,07 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/(2·7) = 16,07 m

Respuesta

s = 16,07 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 44,13 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 = 9²/(2·9,81) = 4,128 m

Altura sobre el suelo

hmax = 40 + 4,128 = 44,13 m

Respuesta

hmax = 44,13 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: T = 17,31 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 = (7,5 − 1)·9,81/(7,5 + 1) = 7,502 m/s²

Tensión a partir de la masa más ligera

T − m2·g = m2·a → T = 1·(9,81 + 7,502) = 17,31 N

Respuesta

T = 17,31 N
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 42,71 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) = (53,96 − 23,3)/15 = 2,044 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 9,5·2,044 + 23,3 = 42,71 N

Respuesta

T = 42,71 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: t = 4,718 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 = 36·cos 40° = 27,58 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 40° = 23,14 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·23,14/9,81 = 4,718 s

Respuesta

t = 4,718 s
6.Tiro parabólico

Respuesta: H = 21,83 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 = 12·sin 30° = 6 m/s

Subida por encima del acantilado

Δh = vy²/(2g) = 6²/(2·9,81) = 1,835 m

Altura sobre el suelo

H = 20 + 1,835 = 21,83 m

Respuesta

H = 21,83 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 14,35 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) = √(0,3·9,81·70) = 14,35 m/s

Respuesta

vmax = 14,35 m/s (51,67 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 16,69 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 = 0,2·9,81 + 0,2·9²/1,1 = 1,962 + 14,73 = 16,69 N

Respuesta

T = 16,69 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 511 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 = 98,1·0,766 = 75,15 N
F = μN = 0,4·75,15 = 30,06 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 30,06·17 = 511 J

Respuesta

Wf = 511 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 9,905 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 = 19,62·(1,5 − 0,25·1) = 24,53 J

Compresión máxima

½kx² = 24,53 → x = √(2·24,53/5000) = 0,09905 m = 9,905 cm

Respuesta

x = 9,905 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: ΔK = 5357 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) = 1500·5/2100 = 3,571 m/s

Energía cinética antes y después

Kbefore = ½·1500·5² = 18750 J
Kafter = ½·2100·3,571² = 13393 J

Energía perdida

ΔK = 18750 − 13393 = 5357 J

Respuesta

ΔK = 5357 J

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v1 = 13,39 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) = √(2·0,5·9,81·7) = 8,287 m/s

Cantidad de movimiento en el choque

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2100·8,287/1300 = 13,39 m/s

Respuesta

v1 = 13,39 m/s
(48,19 km/h)
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: a = 6,363 m/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.

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) = 6·9,81/(6 + 3,25) = 6,363 m/s²

Respuesta

a = 6,363 m/s²
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 5,996 m/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 = 7,5·sin 20° = 2,565 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 + 0,4)
v = √(2·9,81·2,565/1,4) = 5,996 m/s

Respuesta

v = 5,996 m/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 261,3 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

960·125/450 = 266,7 rpm

Con deslizamiento

n2 = 266,7·0,98 = 261,3 rpm

Respuesta

n2 = 261,3 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nc = 236,8 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 + 2·18 = 56

Ecuación de Willis con la corona fija

Haz nr = 0 y despeja la velocidad del portasatélites.

(900 − nc)/(0 − nc) = −56/20
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 900·20/76 = 236,8 rpm

Respuesta

nc = 236,8 rpm

El portasatélites gira en el mismo sentido que el planeta.

17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 1,678 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.

Periodo del péndulo

T = 2π·√(0,7/9,81) = 1,678 s

Respuesta

T = 1,678 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: K = 0,864 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 = ½·270·0,17² = 3,902 J

Energía del muelle en x

U = ½·k·x² = ½·270·0,15² = 3,038 J

Energía cinética

K = 3,902 − 3,038 = 0,864 J

Respuesta

K = 0,864 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 17,53 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.

Frecuencia natural sin amortiguamiento

ωn = √(200000/15) = 115,5 rad/s
fn = 115,5/(2π) = 18,38 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 18,38·√(1 − 0,3²) = 17,53 Hz

Respuesta

fd = 17,53 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 5,436 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 = 30 + 40 = 70 kN/m
keq = 70·50/(70 + 50) = 29,17 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(29167/25) = 34,16 rad/s
fn = 34,16/(2π) = 5,436 Hz

Respuesta

fn = 5,436 Hz

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