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
policíaa = 4 m/s²coche32 m/s

Un coche que circula a 32 m/s constantes, por encima del límite, adelanta a un coche de policía parado. En ese momento el coche de policía arranca y acelera uniformemente a 4 m/s². ¿A qué distancia de su punto de partida lo alcanza el coche de policía? Halla d.

vcar = 32 m/sapolice = 4 m/s²v0,police = 0
d = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 9 m/s5 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 9 m/s desde el borde de un tejado situado a 5 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 = 9 m/sh₀ = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
cajav₀ = 6 m/sμ = ?

Una caja desliza por un suelo horizontal con una velocidad inicial de 6 m/s y se detiene tras 37 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla el coeficiente de rozamiento dinámico μ.

v₀ = 6 m/sd = 37 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 2 kg3 kgμ = 0,25

Un bloque de 2 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 3 kg. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la mesa es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.

m1 = 2 kgm2 = 3 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = ?15°R = 30 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 15° 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 = 15°R = 30 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 15 mv0​ = 32 m/s50°α = ?

Se lanza una pelota a 32 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. ¿Con qué ángulo α por debajo de la horizontal llega al suelo?

v₀ = 32 m/sθ = 50°h = 15 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Movimiento circularMedia
r = 85 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 85 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,5. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 85 mμs = 0,5g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
θ = 25°hacia el centrovmin​ = ?

Una curva de radio 280 m tiene un peralte de 25°, y el coeficiente de rozamiento estático entre neumáticos y carretera es 0,15. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad mínima vmin a la que un coche puede tomar la curva sin deslizar hacia abajo por el peralte.

r = 280 mθ = 25°μs = 0,15g = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
35°d = 13 mμ = 0,35

Un bloque de 4 kg desliza 13 m por una rampa inclinada 35° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,35. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 4 kgθ = 35°μ = 0,35d = 13 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 2 mL = 1 mμ = 0,3k = 2000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 4 kg a una altura de 2 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 1 m (μ = 0,3) y después choca contra un muelle (k = 2000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 4 kgh = 2 mL = 1 mμ = 0,3k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
2 kg30 m/s10 kgv′2​ = ?

Un proyectil de 12 kg que se mueve horizontalmente a 22 m/s explota en dos fragmentos que se mueven a lo largo de la misma recta. El fragmento de 2 kg sigue hacia delante a 30 m/s. Halla la velocidad v′2 del fragmento de 10 kg (positiva en el sentido original).

M = 12 kgu = 22 m/sm1 = 2 kgv′1 = 30 m/sm2 = 10 kg
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
22 m/s8 m/s

Una pelota de 0,45 kg golpea una pared a 22 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 8 m/s. El contacto dura 50 ms. Halla el módulo del impulso J que la pared ejerce sobre la pelota.

m = 0,45 kgvin = 22 m/svout = 8 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
0 → 2800 rpmI = 15 kg·m²

Un motor lleva un volante de inercia con un momento de inercia de 15 kg·m² desde el reposo hasta 2800 rpm en 34 s. Sin tener en cuenta las pérdidas, halla la potencia media Pavg que entrega, en kW.

I = 15 kg·m²n = 2800 rpmt = 34 s
Pavg = kW
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
340 m/s20 g0,4 mL = 0,5 m5,5 kgφ

Una barra esbelta uniforme de masa 5,5 kg y longitud 0,5 m cuelga en reposo de un pivote sin rozamiento en su extremo superior. Una bala de 20 g que se mueve horizontalmente a 340 m/s golpea la barra 0,4 m por debajo del pivote y queda incrustada. Usa g = 9,81 m/s². Halla el mayor ángulo φ respecto a la vertical que alcanza la barra al oscilar.

M = 5,5 kgL = 0,5 mm = 20 gv = 340 m/sd = 0,4 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm1500 rpmT1​ = 600 NT2​ = 300 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 160 mm a 1500 rpm. La tensión es de 600 N en el ramal tenso y de 300 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 160 mmn1 = 1500 rpmT1 = 600 NT2 = 300 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 30C = 16D = 25

Un motor de 4 kW a 960 rpm acciona la rueda A (12 dientes), que engrana con la rueda B (30 dientes). La rueda C (16 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (25 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida Tout.

P = 4 kWnin = 960 rpmA = 12B = 30C = 16D = 25ηmesh = 97%
Tout = N·m
17.Muelles y péndulosMedia
L = 2 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 2 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 2 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
mk = 260 N/mA = 10 cmx = 7 cm

Una masa unida a un muelle con k = 260 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 10 cm. Halla su energía cinética K cuando está a 7 cm del equilibrio.

k = 260 N/mA = 10 cmx = 7 cm
K = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 25 kN/mζ = 0,3m = 10 kg

Una masa de 10 kg sobre un muelle con una rigidez de 25 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 = 10 kgk = 25 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 80k3​ = 10m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga del muelle k₃ = 10 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 20 kN/m y k₂ = 80 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 = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 10 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 512 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.

Distancias iguales

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·32/4 = 16 s

Distancia

d = v·t = 32·16 = 512 m

Respuesta

d = 512 m

En ese momento el coche de policía va a 2v = 64 m/s.

2.Cinemática

Respuesta: t = 2,282 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.

−5 = 9·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 9·t − 5 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (9 + √(9² + 2·9,81·5))/9,81 = 2,282 s

Respuesta

t = 2,282 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: μ = 0,04959

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.

Deceleración

a = v₀²/(2d) = 6²/(2·37) = 0,4865 m/s²

Coeficiente de rozamiento

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0,4865/9,81 = 0,04959

Respuesta

μ = 0,04959
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 4,905 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 del sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (29,43 − 4,905)/5 = 4,905 m/s²

Respuesta

a = 4,905 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: v0 = 24,26 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 30°) = 24,26 m/s

Respuesta

v0 = 24,26 m/s
6.Tiro parabólico

Respuesta: α = 55,49 °

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 = 32·cos 50° = 20,57 m/s
vy0 = 32·sin 50° = 24,51 m/s

Velocidad vertical en el impacto

Energía, o v² = v₀² + 2as en la dirección vertical.

vy = √(24,51² + 2·9,81·15) = 29,92 m/s

Ángulo de impacto

tan α = vy/vx = 29,92/20,57 → α = 55,49°

Respuesta

α = 55,49°
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 20,42 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) = √(0,5·9,81·85) = 20,42 m/s

Respuesta

vmax = 20,42 m/s (73,51 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 28,5 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.

Equilibrios de fuerzas

El rozamiento apunta pendiente arriba.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

Rapidez

v = √(280·9,81·0,2867/0,9697) = 28,5 m/s

Respuesta

vmin = 28,5 m/s
(102,6 km/h)
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 146,3 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 = 39,24·0,8192 = 32,14 N
F = μN = 0,35·32,14 = 11,25 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 11,25·13 = 146,3 J

Respuesta

Wf = 146,3 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 25,83 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·(2 − 0,3·1) = 66,71 J

Compresión máxima

½kx² = 66,71 → x = √(2·66,71/2000) = 0,2583 m = 25,83 cm

Respuesta

x = 25,83 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 20,4 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.

Cantidad de movimiento antes

p = M·u = 12·22 = 264 kg·m/s

Cantidad de movimiento después

264 = 2·30 + 10·v′2
v′2 = (264 − 60)/10 = 20,4 m/s

Respuesta

v′2 = 20,4 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: J = 13,5 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 = 0,45·(8 + 22) = 13,5 N·s

Respuesta

J = 13,5 N·s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: Pavg = 18,97 kW

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·2800/60 = 293,2 rad/s

Energía

E = ½·I·ω² = ½·15·293,2² = 644814 J

Potencia media

Pavg = E/t = 644814/34 = 18965 W = 18,97 kW

Respuesta

Pavg = 18,97 kW
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: φ = 65,84 °

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 = 5,5·0,5²/3 + 0,02·0,4² = 0,4615 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 = 0,02·340·0,4/0,4615 = 5,893 rad/s

Energía durante la oscilación

½·I·ω² = ½·0,4615·5,893² = 8,015 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 13,57·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 8,015/13,57 = 0,4092 → φ = 65,84°

Respuesta

φ = 65,84°
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 3,77 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 = 12,57 m/s

Potencia

P = (600 − 300)·12,57 = 3770 W = 3,77 kW

Respuesta

P = 3,77 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 146,2 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.

Velocidad de salida

nout = 960·(12/30)·(16/25) = 245,8 rpm
ωout = 2π·245,8/60 = 25,74 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 4000·0,97² = 3764 W
Tout = Pout/ωout = 3764/25,74 = 146,2 N·m

Respuesta

Tout = 146,2 N·m
17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 2,837 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·√(2/9,81) = 2,837 s

Respuesta

T = 2,837 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: K = 0,663 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 = ½·260·0,1² = 1,3 J

Energía del muelle en x

U = ½·k·x² = ½·260·0,07² = 0,637 J

Energía cinética

K = 1,3 − 0,637 = 0,663 J

Respuesta

K = 0,663 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 7,591 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 = √(25000/10) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7,958 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7,958·√(1 − 0,3²) = 7,591 Hz

Respuesta

fd = 7,591 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 3,393 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 = 20 + 80 = 100 kN/m
keq = 100·10/(100 + 10) = 9,091 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(9091/20) = 21,32 rad/s
fn = 21,32/(2π) = 3,393 Hz

Respuesta

fn = 3,393 Hz

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