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)6 s30

Un coche que circula a 108 km/h frena con una deceleración constante de 5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 108 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 13 m/s10 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 13 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. ¿Cuánto tiempo después del lanzamiento llega al suelo? Halla t.

v₀ = 13 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 45°a = ?m = 13 kg

Un bloque de 13 kg baja deslizando por una rampa inclinada 45° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,15. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 13 kgθ = 45°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 2,5 kg4,5 kgsin rozamiento

Un bloque de 2,5 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 4,5 kg. La mesa no tiene rozamiento. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 2,5 kgm2 = 4,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 36 m/s70°x = ?

Se lanza una pelota a 70° 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 = 36 m/sθ = 70°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 55 mv0​ = 23 m/s60°x = ?

Se lanza una pelota a 60° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 55 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 23 m/sθ = 60°h = 55 mg = 9,81 m/s²
x = 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 0,7. 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 = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 1,5 mv = ?

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola atada a una cuerda de 1,5 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 = 1,5 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
25°d = 2 mμ = 0,3

Un bloque de 4 kg desliza 2 m por una rampa inclinada 25° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,3. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 4 kgθ = 25°μ = 0,3d = 2 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 5 mL = 4 mμ = 0,3k = 1500 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 4 kg a una altura de 5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 4 m (μ = 0,3) y después choca contra un muelle (k = 1500 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 4 kgh = 5 mL = 4 mμ = 0,3k = 1500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
1 kg11 m/s1,5 kg

Un deslizador de 1 kg que se mueve a 11 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 1,5 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 = 1 kgm2 = 1,5 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
9 m/s17 m/s

Una pelota de 0,2 kg golpea una pared a 9 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 17 m/s. El contacto dura 20 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,2 kgvin = 9 m/svout = 17 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 0,8 mm = 18,5 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 18,5 kg y longitud 0,8 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 = 18,5 kgL = 0,8 mg = 9,81 m/s²
R = N
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 20°vs = 1 m

Un cuerpo (cilindro macizo) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 20° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Su radio es 0,2 m. Halla su velocidad angular ω después de haber rodado 1 m a lo largo de la pendiente.

θ = 20°s = 1 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,2 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm1440 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 240 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 160 mm a 1440 rpm. La tensión es de 1200 N en el ramal tenso y de 240 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 160 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1200 NT2 = 240 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 60B = 80C = 25D = 32

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (60 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (80 dientes). El engranaje C (25 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (32 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 2900 rpmA = 60B = 80C = 25D = 32
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = 1,8 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 1,8 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 1,8 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
t (s)x (cm)t = ?11,2

Un cuerpo describe un movimiento armónico simple con periodo 2,4 s y amplitud 16 cm. ¿Cuál es el tiempo mínimo t que necesita para pasar de su desplazamiento máximo de 16 cm a un desplazamiento de 11,2 cm?

T = 2,4 sA = 16 cmx = 11,2 cm
t = s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 4 kN/mζ = 0,4m = 10 kg

Una masa de 10 kg sobre un muelle con una rigidez de 4 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,4. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 10 kgk = 4 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 12k3​ = 5m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga del muelle k₃ = 5 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 = 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 = 30 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 90 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 = 108/3,6 = 30 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·5) = 90 m

Respuesta

s = 90 m
2.Cinemática

Respuesta: t = 3,273 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.

Ecuación del movimiento

Hacia arriba es positivo y el suelo está h₀ por debajo del punto de partida.

−10 = 13·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 13·t − 10 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (13 + √(13² + 2·9,81·10))/9,81 = 3,273 s

Respuesta

t = 3,273 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 5,896 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 45° − 0,15·cos 45°) = 9,81·(0,7071 − 0,1061) = 5,896 m/s²

Respuesta

a = 5,896 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 15,77 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) = (44,15 − 0)/7 = 6,306 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 2,5·6,306 + 0 = 15,77 N

Respuesta

T = 15,77 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: x = 84,92 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 = 36·cos 70° = 12,31 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 70° = 33,83 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·33,83/9,81 = 6,897 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 12,31·6,897 = 84,92 m

Respuesta

x = 84,92 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 68,38 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 = 23·cos 60° = 11,5 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 60° = 19,92 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 55 + 19,92·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19,92 + √(396,7 + 1079))/9,81 = 5,947 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 11,5·5,947 = 68,38 m

Respuesta

x = 68,38 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 21,92 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) = √(0,7·9,81·70) = 21,92 m/s

Respuesta

vmax = 21,92 m/s (78,93 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 3,836 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) = √(9,81·1,5) = 3,836 m/s

Respuesta

vmin = 3,836 m/s
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 21,34 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 = 39,24·0,9063 = 35,56 N
F = μN = 0,3·35,56 = 10,67 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 10,67·2 = 21,34 J

Respuesta

Wf = 21,34 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 44,59 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·(5 − 0,3·4) = 149,1 J

Compresión máxima

½kx² = 149,1 → x = √(2·149,1/1500) = 0,4459 m = 44,59 cm

Respuesta

x = 44,59 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = −2,2 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 = (1 − 1,5)/(1 + 1,5)·11 = −2,2 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 1,5)·11 = 8,8 m/s

Respuesta

v′1 = −2,2 m/s

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 260 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 = 0,2·(17 + 9) = 5,2 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 5,2/0,02 = 260 N

Respuesta

Favg = 260 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: R = 45,37 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/(2·0,8) = 18,39 rad/s²

Fuerzas verticales

aG = α·L/2 = 7,357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 18,5·(9,81 − 7,357) = 45,37 N

Respuesta

R = 45,37 N

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

14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 10,58 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·sin 20° = 0,342 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 + 0,5)
v = √(2·9,81·0,342/1,5) = 2,115 m/s
ω = v/r = 2,115/0,2 = 10,58 rad/s

Respuesta

ω = 10,58 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 11,58 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.

Velocidad de la correa

v = 12,06 m/s

Potencia

P = (1200 − 240)·12,06 = 11581 W = 11,58 kW

Respuesta

P = 11,58 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 1699 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 = 2900·60/80 = 2175 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 2175·25/32 = 1699 rpm

Respuesta

nout = 1699 rpm

relación total = 1,707 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 2,691 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·√(1,8/9,81) = 2,691 s

Respuesta

T = 2,691 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: t = 0,3038 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 = 2π/T = 2π/2,4 = 2,618 rad/s

Despeja el tiempo

0,7 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,7) = 0,7954 rad
t = 0,7954/2,618 = 0,3038 s

Respuesta

t = 0,3038 s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 2,917 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 = √(4000/10) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3,183 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,183·√(1 − 0,4²) = 2,917 Hz

Respuesta

fd = 2,917 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 1,064 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 + 12 = 42 kN/m
keq = 42·5/(42 + 5) = 4,468 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(4468/100) = 6,684 rad/s
fn = 6,684/(2π) = 1,064 Hz

Respuesta

fn = 1,064 Hz

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