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)2,857 s20

Un coche que circula a 72 km/h frena con una deceleración constante de 7 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 72 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
t (s)v (m/s)5 s

Un tranvía parte del reposo y acelera a 2,5 m/s² durante 5 s, después circula a velocidad constante durante 7 s y por último frena a 5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia total s entre las dos paradas.

a1 = 2,5 m/s²t1 = 5 st2 = 7 sa3 = −5 m/s²
s = m
3.Leyes de NewtonMedia
2,5 kg1 kg

Dos masas de 2,5 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 = 2,5 kgm2 = 1 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Leyes de NewtonDifícil
1 kg9 kgTF = 120 Nμ = 0,1

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 120 N tira del bloque delantero de 9 kg; el bloque de 1 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T del hilo de unión.

m1 = 1 kgm2 = 9 kgF = 120 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 32 m/s35°alcanceH = ?

Se lanza una pelota a 35° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la altura máxima H que alcanza la pelota.

v0 = 32 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
4 mv0​ = 39 m/s70°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 39 m/s y 70° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 4 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 = 39 m/sθ = 70°hroof = 4 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 105 m6 m/s

Un coche de 800 kg pasa por la cima de un cambio de rasante a 6 m/s. La cima es un arco de circunferencia de radio 105 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza normal N de la carretera sobre el coche en la cima.

m = 800 kgv = 6 m/sr = 105 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Movimiento circularDifícil
r = 1,5 m10 m/svtop​ = ?

Una bola de 0,8 kg sujeta a un hilo ligero de 1,5 m de longitud se hace girar en una circunferencia vertical. En el punto más bajo su velocidad es 10 m/s. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión Ttop del hilo en el punto más alto.

m = 0,8 kgr = 1,5 mvbottom = 10 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Trabajo y energíaMedia
25°d = 11 mμ = 0,2

Un bloque de 1 kg desliza 11 m por una rampa inclinada 25° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,2. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 1 kgθ = 25°μ = 0,2d = 11 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
F = 15 N15°μ = 0,22 kg

Un bloque de 2 kg parte del reposo al pie de una pendiente de 15° y se tira de él pendiente arriba con una fuerza constante de 15 N paralela a la pendiente. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2. Halla la velocidad v del bloque tras recorrer 4 m pendiente arriba.

m = 2 kgF = 15 Nθ = 15°μ = 0,2d = 4 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
2,5 kg8 m/s4 kg

Un deslizador de 2,5 kg que se mueve a 8 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 4 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 = 2,5 kgm2 = 4 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
11 m/s19 m/s

Una pelota de 0,1 kg golpea una pared a 11 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 19 m/s. El contacto dura 50 ms. Halla el módulo del impulso J que la pared ejerce sobre la pelota.

m = 0,1 kgvin = 11 m/svout = 19 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 900 rpmTb​ = 170 N·mI = 9 kg·m²

Un volante de inercia con un momento de inercia de 9 kg·m² gira a 900 rpm. Un freno aplica un par de rozamiento constante de 170 N·m. ¿Cuántas vueltas N da el volante antes de detenerse?

I = 9 kg·m²n = 900 rpmTb = 170 N·m
N = rev
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
160 m/s20 g1,07 mL = 1,3 m8,5 kg

Una barra esbelta uniforme de masa 8,5 kg y longitud 1,3 m cuelga en reposo de un pivote sin rozamiento en su extremo superior. Una bala de 20 g que se mueve horizontalmente a 160 m/s golpea la barra 1,07 m por debajo del pivote y queda incrustada. Halla la velocidad angular ω de la barra justo después del impacto.

M = 8,5 kgL = 1,3 mm = 20 gv = 160 m/sd = 1,07 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 36N2​ = 40

Un motor de 5,5 kW que gira a 1500 rpm acciona un piñón de 36 dientes, que engrana con una rueda de 40 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 5,5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 36N2 = 40η = 95%
T1 = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 400 mm1440 rpmC = 600 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 80 mm a 1440 rpm con una polea de 400 mm; los centros están separados 600 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,35 y la tensión del ramal tenso no puede superar 1500 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 80 mmn1 = 1440 rpmd2 = 400 mmC = 600 mmμ = 0,35T1 = 1500 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
0,2 kgk = 220 N/mA = 16 cmx = 3 cm

Una masa de 0,2 kg unida a un muelle con k = 220 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 16 cm. Halla su velocidad v cuando está a 3 cm del equilibrio.

m = 0,2 kgk = 220 N/mA = 16 cmx = 3 cm
v = m/s
18.Muelles y péndulosDifícil
2,9 kgk = 170 N/mA = 16 cm

Una masa de 2,9 kg unida a un muelle con k = 170 N/m se separa 16 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.

m = 2,9 kgk = 170 N/mA = 16 cm
E = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 5 kN/mζ = 0,45m = 25 kg

Una masa de 25 kg sobre un muelle con una rigidez de 5 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,45. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 25 kgk = 5 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 40m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 25 kN/m y el inferior k₂ = 40 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 10 kgk1 = 25 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 28,57 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 = 72/3,6 = 20 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·7) = 28,57 m

Respuesta

s = 28,57 m
2.Cinemática

Respuesta: s = 134,4 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.

Velocidad máxima

v = a1·t1 = 2,5·5 = 12,5 m/s

Distancia de cada fase

s1 = ½·2,5·5² = 31,25 m
s2 = 12,5·7 = 87,5 m
s3 = 12,5²/(2·5) = 15,63 m

Distancia total

s = 31,25 + 87,5 + 15,63 = 134,4 m

Respuesta

s = 134,4 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: T = 14,01 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 = (2,5 − 1)·9,81/(2,5 + 1) = 4,204 m/s²

Tensión a partir de la masa más ligera

T − m2·g = m2·a → T = 1·(9,81 + 4,204) = 14,01 N

Respuesta

T = 14,01 N
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 12 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.

Sistema completo

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (120 − 9,81)/10 = 11,02 m/s²

Bloque trasero por separado

T = m1·(a + μ·g) = 1·(11,02 + 0,981) = 12 N

Respuesta

T = 12 N

Con el mismo μ en ambos bloques, el rozamiento desaparece: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Tiro parabólico

Respuesta: H = 17,17 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 = 32·cos 35° = 26,21 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 35° = 18,35 m/s

Punto más alto

En lo más alto la velocidad vertical es cero: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 18,35²/(2·9,81) = 17,17 m

Respuesta

H = 17,17 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 98,18 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 = 13,34 m/s, vy = 36,65 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

4 = 36,65·t − 4,905·t²
t = (36,65 + √(36,65² − 2·9,81·4))/9,81 = 7,361 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 13,34·7,361 = 98,18 m

Respuesta

x = 98,18 m
7.Movimiento circular

Respuesta: N = 7574 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 lo más alto

Hacia el centro (hacia abajo) es positivo.

m·g − N = m·v²/r
N = 800·9,81 − 800·6²/105 = 7848 − 274,3 = 7574 N

Respuesta

N = 7574 N

El coche parece más ligero: la carretera empuja hacia arriba menos que su peso.

8.Movimiento circular

Respuesta: Ttop = 14,09 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.

Velocidad en lo más alto

La energía cinética se transforma en energía potencial a lo largo de una altura 2r.

vtop² = 10² − 4·9,81·1,5 = 41,14 m²/s²

Fuerzas en lo más alto

La tensión y la gravedad apuntan ambas hacia abajo, hacia el centro.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0,8·41,14/1,5 − 0,8·9,81 = 14,09 N

Respuesta

Ttop = 14,09 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 19,56 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 = 9,81·0,9063 = 8,891 N
F = μN = 0,2·8,891 = 1,778 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 1,778·11 = 19,56 J

Respuesta

Wf = 19,56 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 4,952 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 = 2·9,81 = 19,62 N
mg·sin θ = 5,078 N
μ·mg·cos θ = 3,79 N

Trabajo y energía

½mv² = (15 − 8,868)·4 = 24,53 J
v = √(2·24,53/2) = 4,952 m/s

Respuesta

v = 4,952 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = −1,846 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 = (2,5 − 4)/(2,5 + 4)·8 = −1,846 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 4)·8 = 6,154 m/s

Respuesta

v′1 = −1,846 m/s

El signo menos significa que el primer deslizador rebota hacia atrás.

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: J = 3 N·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.

Variación de la cantidad de movimiento

J = m·Δv = 0,1·(19 + 11) = 3 N·s

Respuesta

J = 3 N·s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: N = 37,42 rev

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.

Velocidad angular

ω = 2π·900/60 = 94,25 rad/s

El trabajo del freno es igual a la energía cinética

½·I·ω² = ½·9·94,25² = 39972 J
θ = 39972/170 = 235,1 rad

Vueltas

N = θ/2π = 37,42 rev

Respuesta

N = 37,42 rev
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 0,7117 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.

Momento de inercia después del impacto

I = M·L²/3 + m·d² = 8,5·1,3²/3 + 0,02·1,07² = 4,811 kg·m²

Momento angular respecto al pivote

La fuerza del pivote pasa por el pivote, así que no tiene momento allí durante el impacto.

m·v·d = I·ω → ω = 0,02·160·1,07/4,811 = 0,7117 rad/s

Respuesta

ω = 0,7117 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 35,01 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 = 5500/157,1 = 35,01 N·m

Respuesta

T1 = 35,01 N·m
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 5,408 kW

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 contacto

θ = 2,602 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,9106 = 2,486, T₂ = 1500/2,486 = 603,4 N

Potencia

P = (1500 − 603,4)·6,032 = 5,408 kW

Respuesta

P = 5,408 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: v = 5,212 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 = √(220/0,2) = 33,17 rad/s

Velocidad en x

v = ω·√(A² − x²) = 33,17·√(0,16² − 0,03²) = 5,212 m/s

Respuesta

v = 5,212 m/s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: E = 2,176 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 = √(170/2,9) = 7,656 rad/s

Energía

E = ½·k·A² = ½·170·0,16² = 2,176 J

Respuesta

E = 2,176 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 2,01 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 = √(5000/25) = 14,14 rad/s
fn = 14,14/(2π) = 2,251 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,251·√(1 − 0,45²) = 2,01 Hz

Respuesta

fd = 2,01 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 6,243 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 = 1/25 + 1/40 → keq = 25·40/(25 + 40) = 15,38 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(15385/10) = 39,22 rad/s
fn = 39,22/(2π) = 6,243 Hz

Respuesta

fn = 6,243 Hz

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