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)1,5 s13,89

Una conductora que circula a 50 km/h ve un obstáculo. Su tiempo de reacción es 1,5 s, tras el cual el coche frena con una deceleración constante de 7,5 m/s². Halla la distancia total de detención d desde el momento en que ve el obstáculo.

v₀ = 50 km/htr = 1,5 sa = −7,5 m/s²
d = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 14 m/s10 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 14 m/s desde el borde de un tejado situado a 10 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 = 14 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 30°a = ?m = 3 kg

Un bloque de 3 kg baja deslizando por una rampa inclinada 30° 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 = 3 kgθ = 30°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 8 kg6 kgθ = 20°

Un bloque de 8 kg sobre una rampa de 20° está unido mediante un hilo ligero, que pasa por una polea sin rozamiento en lo alto de la rampa, a una masa colgante de 6 kg. La masa colgante baja. La rampa no tiene rozamiento. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.

m1 = 8 kgm2 = 6 kgθ = 20°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 18 m/s55°x = ?

Se lanza una pelota a 55° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 18 m/sθ = 55°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 10 mv0​ = 15 m/s40°x = ?

Se lanza una pelota a 40° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 10 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 15 m/sθ = 40°h = 10 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
L = 1,9 m15°

Una bolita sujeta a un hilo de longitud 1,9 m describe una circunferencia horizontal de modo que el hilo forma un ángulo constante de 15° con la vertical (un péndulo cónico). Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bola.

L = 1,9 mθ = 15°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 1,4 mv = 3,5 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 0,2 kg atada a una cuerda de 1,4 m. En el punto más bajo se mueve a 3,5 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 0,2 kgr = 1,4 mv = 3,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
0,15 kgk = 800 N/mh = ?

Un lanzador de juguete tiene un muelle vertical de rigidez 800 N/m. Se coloca encima una bola de 0,15 kg, se comprime el muelle 10 cm y se suelta. Despreciando la resistencia del aire y la masa del muelle, halla la altura h que sube la bola, medida desde su posición con el muelle comprimido.

m = 0,15 kgk = 800 N/mx = 10 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 6,4 mR = 2 mv = ?

Una vagoneta de 5 kg se suelta desde el reposo a una altura de 6,4 m sobre una pista lisa que conduce a un rizo circular vertical de radio 2 m. Halla la velocidad v de la vagoneta en lo más alto del rizo.

m = 5 kgh = 6,4 mR = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
4 kg9 m/s4,5 kg

Un deslizador de 4 kg que se mueve a 9 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 4,5 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′2 del segundo deslizador después del choque.

m1 = 4 kgm2 = 4,5 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1600 kgv1​ = ?1400 kg

Un coche de 1600 kg choca con un coche aparcado de 1400 kg. Los restos quedan unidos y derrapan 15 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 = 1600 kgm2 = 1400 kgd = 15 mμ = 0,5g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 0,5 mm = 18 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 18 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 = 18 kgL = 0,5 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
4 m/sω

Un cuerpo (esfera hueca) de masa 10 kg rueda sin deslizar a 4 m/s. ¿Qué porcentaje p de su energía cinética total es de rotación?

m = 10 kgv = 4 m/sI = (2/3)·m·r²
p = %
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 100 mmd2​ = 250 mm1500 rpmn2​ = ?

Una polea de 100 mm a 1500 rpm acciona una polea de 250 mm mediante una correa con un 2 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1500 rpmd1 = 100 mmd2 = 250 mms = 2 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 15B = 30C = 48D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (15 dientes) del eje de entrada gira a 3000 rpm y acciona la rueda B (30 dientes). La rueda C (48 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 1440 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 3000 rpmA = 15B = 30C = 48nout = 1440 rpm
ND =
17.Muelles y péndulosMedia
L = 0,3 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 0,3 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 0,3 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
2,2 kgk = 380 N/mA = 9 cm

Una masa de 2,2 kg unida a un muelle con k = 380 N/m se separa 9 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.

m = 2,2 kgk = 380 N/mA = 9 cm
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 40 kN/mζ = 0,5m = 25 kg

Una masa de 25 kg sobre un muelle con una rigidez de 40 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,5. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 25 kgk = 40 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 10m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 12 kN/m y el inferior k₂ = 10 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 10 kgk1 = 12 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 33,69 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 = 50/3,6 = 13,89 m/s

Distancia de reacción

d1 = v₀·tr = 13,89·1,5 = 20,83 m

Distancia de frenado

d2 = v₀²/(2a) = 13,89²/(2·7,5) = 12,86 m

Total

d = 20,83 + 12,86 = 33,69 m

Respuesta

d = 33,69 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 19,99 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 = 14²/(2·9,81) = 9,99 m

Altura sobre el suelo

hmax = 10 + 9,99 = 19,99 m

Respuesta

hmax = 19,99 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 4,055 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 30° − 0,1·cos 30°) = 9,81·(0,5 − 0,0866) = 4,055 m/s²

Respuesta

a = 4,055 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 2,287 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 = 58,86 N
m₁·g·sin θ = 26,84 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

Aceleración del sistema

a = (58,86 − 26,84 − 0)/14 = 2,287 m/s²

Respuesta

a = 2,287 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: x = 31,04 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

La velocidad horizontal se mantiene constante; el movimiento vertical tiene una aceleración constante g = 9,81 m/s² hacia abajo.

vx = v0·cos θ = 18·cos 55° = 10,32 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 55° = 14,74 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·14,74/9,81 = 3,006 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 10,32·3,006 = 31,04 m

Respuesta

x = 31,04 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 31,21 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

La velocidad horizontal se mantiene constante; el movimiento vertical tiene una aceleración constante g = 9,81 m/s² hacia abajo.

vx = v0·cos θ = 15·cos 40° = 11,49 m/s
vy = v0·sin θ = 15·sin 40° = 9,642 m/s

Tiempo de vuelo

Resuelve y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 y toma la raíz positiva.

0 = 10 + 9,642·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (9,642 + √(92,96 + 196,2))/9,81 = 2,716 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 11,49·2,716 = 31,21 m

Respuesta

x = 31,21 m
7.Movimiento circular

Respuesta: v = 1,137 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.

Radio de la circunferencia

r = L·sin θ = 1,9·sin 15° = 0,4918 m

Rapidez

La tensión y la gravedad juntas dan la fuerza hacia el centro: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(0,4918·9,81·tan 15°) = 1,137 m/s

Respuesta

v = 1,137 m/s
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 3,712 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 + 0,2·3,5²/1,4 = 1,962 + 1,75 = 3,712 N

Respuesta

T = 3,712 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: h = 2,718 m

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 del muelle

x = 10 cm = 0,1 m
½kx² = ½·800·0,1² = 4 J

Altura

m·g = 0,15·9,81 = 1,472 N
h = ½kx²/(mg) = 4/1,472 = 2,718 m

Respuesta

h = 2,718 m
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 6,862 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). En una trayectoria circular la fuerza neta hacia el centro debe ser igual a mv²/r.

Velocidad en lo más alto

v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(6,4 − 4) = 47,09 m²/s²
v = 6,862 m/s

Respuesta

v = 6,862 m/s

La vagoneta completa el rizo justo cuando h = 2,5R; entonces N = 0 en lo más alto.

11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 8,471 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 = (4 − 4,5)/(4 + 4,5)·9 = −0,5294 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 4,5)·9 = 8,471 m/s

Respuesta

v′2 = 8,471 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v1 = 22,74 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) = √(2·0,5·9,81·15) = 12,13 m/s

Cantidad de movimiento en el choque

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3000·12,13/1600 = 22,74 m/s

Respuesta

v1 = 22,74 m/s
(81,88 km/h)
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: p = 40 %

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.

Partes de traslación y de rotación

Etrans = ½·m·v² = ½·10·4² = 80 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,6667·m·r²·(v/r)² = 0,6667·80 = 53,33 J

Proporción de rotación

p = 53,33/133,3·100% = c/(1 + c)·100% = 40%

Respuesta

p = 40 %

La proporción depende solo de la forma, no de la masa ni de la velocidad.

15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 588 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

1500·100/250 = 600 rpm

Con deslizamiento

n2 = 600·0,98 = 588 rpm

Respuesta

n2 = 588 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 50

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.

Velocidad del eje intermedio

nB = nC = 3000·15/30 = 1500 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 48·1500/1440 = 50

Respuesta

ND = 50
17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 1,099 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·√(0,3/9,81) = 1,099 s

Respuesta

T = 1,099 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: vmax = 1,183 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.

Frecuencia angular

ω = √(380/2,2) = 13,14 rad/s

Velocidad máxima

vmax = A·ω = 0,09·13,14 = 1,183 m/s

Respuesta

vmax = 1,183 m/s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 5,513 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 = √(40000/25) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6,366 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,366·√(1 − 0,5²) = 5,513 Hz

Respuesta

fd = 5,513 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 3,717 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 = 1/12 + 1/10 → keq = 12·10/(12 + 10) = 5,455 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(5455/10) = 23,35 rad/s
fn = 23,35/(2π) = 3,717 Hz

Respuesta

fn = 3,717 Hz

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