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)0,6 s25

Una conductora que circula a 90 km/h ve un obstáculo. Su tiempo de reacción es 0,6 s, tras el cual el coche frena con una deceleración constante de 4,5 m/s². Halla la distancia total de detención d desde el momento en que ve el obstáculo.

v₀ = 90 km/htr = 0,6 sa = −4,5 m/s²
d = m
2.CinemáticaDifícil
a = 36 m/s²

Un cohete de modelismo se lanza verticalmente hacia arriba desde el reposo. Su motor le da una aceleración constante hacia arriba de 36 m/s² durante 3 s; después el motor se apaga y el cohete se mueve libremente. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la altura máxima hmax que alcanza el cohete.

a = 36 m/s²t1 = 3 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
25 kg35°F = 80 Nμ = 0,2

Se arrastra un trineo de 25 kg por nieve horizontal con una cuerda a 35° por encima de la horizontal y una fuerza de 80 N. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del trineo.

m = 25 kgF = 80 Nθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
12 kg10 kgTF = 90 Nμ = 0,15

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 90 N tira del bloque delantero de 10 kg; el bloque de 12 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,15 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T del hilo de unión.

m1 = 12 kgm2 = 10 kgF = 90 Nμ = 0,15g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 32 m/s25°alcance

Se lanza una pelota a 25° 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 = 32 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Tiro parabólicoDifícil
3 mv0​ = 27 m/s35°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 27 m/s y 35° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 3 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 = 27 m/sθ = 35°hroof = 3 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 140 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 140 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,6. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 140 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,5 mv = ?

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola atada a una cuerda de 0,5 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 = 0,5 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
40°d = 18 mμ = 0,3

Un bloque baja desde el reposo por una rampa inclinada 40° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3. Halla su velocidad v tras deslizar 18 m por la rampa.

θ = 40°μ = 0,3d = 18 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabajo y energíaDifícil
F = 50 N15°μ = 0,110 kg

Un bloque de 10 kg parte del reposo al pie de una pendiente de 15° y se tira de él pendiente arriba con una fuerza constante de 50 N paralela a la pendiente. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1. Halla la velocidad v del bloque tras recorrer 6 m pendiente arriba.

m = 10 kgF = 50 Nθ = 15°μ = 0,1d = 6 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
1 kg3 m/s3,5 kg

Un deslizador de 1 kg que se mueve a 3 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 3,5 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′2 del segundo deslizador después del choque.

m1 = 1 kgm2 = 3,5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1400 kg20 m/s1500 kg18 m/sv′ = ?

En un cruce, un coche de 1400 kg que circula hacia el este a 20 m/s choca con un coche de 1500 kg que circula hacia el norte a 18 m/s. Los coches quedan unidos. Halla la velocidad v′ de los restos justo después del choque.

m1 = 1400 kgv1 = 20 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 18 m/s (N)
v′ = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
v = ?4,5 kgL = 1,6 mm = 2 kg

Una barra esbelta uniforme de masa 2 kg y longitud 1,6 m está articulada por un extremo y se suelta desde el reposo en posición horizontal. Una pequeña bola de masa 4,5 kg está fijada a su extremo libre. Ignora el rozamiento y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v del extremo libre cuando la barra pasa por la posición vertical.

m = 2 kgL = 1,6 mmball = 4,5 kgg = 9,81 m/s²
v = m/s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
560 m/s40 g0,2 mL = 0,5 m6,5 kgφ

Una barra esbelta uniforme de masa 6,5 kg y longitud 0,5 m cuelga en reposo de un pivote sin rozamiento en su extremo superior. Una bala de 40 g que se mueve horizontalmente a 560 m/s golpea la barra 0,2 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 = 6,5 kgL = 0,5 mm = 40 gv = 560 m/sd = 0,2 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​N2​ = ?

Dos ejes paralelos están a 67,5 mm de distancia. Deben unirse mediante un par de ruedas dentadas rectas de módulo 3 mm y una reducción de velocidad de 2 : 1. ¿Cuántos dientes N2 debe tener la rueda?

a = 67,5 mmm = 3 mmi = 2
N2 =
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm2880 rpmC = 1200 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 80 mm a 2880 rpm con una polea de 250 mm; los centros están separados 1200 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,3 y la tensión del ramal tenso no puede superar 800 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 80 mmn1 = 2880 rpmd2 = 250 mmC = 1200 mmμ = 0,3T1 = 800 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

¿Qué longitud debe tener un péndulo simple para que su periodo sea de 1,9 s? Usa g = 9,81 m/s². Halla L.

T = 1,9 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
1,2 kgk = 340 N/mA = 4 cm

Una masa de 1,2 kg unida a un muelle con k = 340 N/m se separa 4 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.

m = 1,2 kgk = 340 N/mA = 4 cm
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 40 kN/mζ = 0,5m = 150 kg

Una masa de 150 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 = 150 kgk = 40 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 10m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 15 kN/m y k₂ = 10 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 40 kgk1 = 15 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 84,44 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 = 90/3,6 = 25 m/s

Distancia de reacción

d1 = v₀·tr = 25·0,6 = 15 m

Distancia de frenado

d2 = v₀²/(2a) = 25²/(2·4,5) = 69,44 m

Total

d = 15 + 69,44 = 84,44 m

Respuesta

d = 84,44 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 756,5 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.

Fase propulsada

v₁ = 36·3 = 108 m/s
h₁ = ½·36·3² = 162 m

Vuelo libre hacia arriba

En el punto más alto la velocidad es nula.

Δh = v₁²/(2g) = 108²/(2·9,81) = 594,5 m
hmax = 162 + 594,5 = 756,5 m

Respuesta

hmax = 756,5 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 1,026 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.

Fuerza normal

N = m·g − F·sin θ = 245,3 − 80·sin 35° = 199,4 N

Fuerzas horizontales

m·a = F·cos θ − μ·N = 65,53 − 39,87
a = 25,66/25 = 1,026 m/s²

Respuesta

a = 1,026 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 49,09 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) = (90 − 32,37)/22 = 2,619 m/s²

Bloque trasero por separado

T = m1·(a + μ·g) = 12·(2,619 + 1,472) = 49,09 N

Respuesta

T = 49,09 N

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

5.Tiro parabólico

Respuesta: t = 2,757 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 = 32·cos 25° = 29 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 25° = 13,52 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·13,52/9,81 = 2,757 s

Respuesta

t = 2,757 s
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 65,24 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 = 22,12 m/s, vy = 15,49 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

3 = 15,49·t − 4,905·t²
t = (15,49 + √(15,49² − 2·9,81·3))/9,81 = 2,95 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 22,12·2,95 = 65,24 m

Respuesta

x = 65,24 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 28,71 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) = √(0,6·9,81·140) = 28,71 m/s

Respuesta

vmax = 28,71 m/s (103,3 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 2,215 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) = √(9,81·0,5) = 2,215 m/s

Respuesta

vmin = 2,215 m/s
9.Trabajo y energía

Respuesta: v = 12,08 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).

Balance de energía a lo largo de la rampa

El bloque baja una altura d·sin θ mientras el rozamiento le quita μmg·cos θ·d. La masa se cancela.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·18·(0,6428 − 0,3·0,766)) = 12,08 m/s

Respuesta

v = 12,08 m/s
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 4,262 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 = 10·9,81 = 98,1 N
mg·sin θ = 25,39 N
μ·mg·cos θ = 9,476 N

Trabajo y energía

½mv² = (50 − 34,87)·6 = 90,8 J
v = √(2·90,8/10) = 4,262 m/s

Respuesta

v = 4,262 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 1,333 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 − 3,5)/(1 + 3,5)·3 = −1,667 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 3,5)·3 = 1,333 m/s

Respuesta

v′2 = 1,333 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′ = 13,41 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.

Componentes de la cantidad de movimiento

px = 1400·20 = 28000 kg·m/s
py = 1500·18 = 27000 kg·m/s

Velocidad de los restos

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 38897/2900 = 13,41 m/s

Respuesta

v′ = 13,41 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 5,781 m/s

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.

Pérdida de energía potencial

m·g·L/2 + mball·g·L = 2·9,81·0,8 + 4,5·9,81·1,6 = 86,33 J

Momento de inercia respecto al pasador

IO = m·L²/3 + mball·L² = 1,707 + 11,52 = 13,23 kg·m²

Balance de energía

½·IO·ω² = 86,33 → ω = √(2·86,33/13,23) = 3,613 rad/s
v = ω·L = 3,613·1,6 = 5,781 m/s

Respuesta

v = 5,781 m/s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: φ = 98,81 °

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 = 6,5·0,5²/3 + 0,04·0,2² = 0,5433 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 = 0,04·560·0,2/0,5433 = 8,246 rad/s

Energía durante la oscilación

½·I·ω² = ½·0,5433·8,246² = 18,47 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 16,02·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 18,47/16,02 = −0,1531 → φ = 98,81°

Respuesta

φ = 98,81°
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: N2 = 30

Geometría de engranajes: el módulo m fija el tamaño del diente. Una rueda con N dientes tiene un diámetro primitivo d = m·N, dos ruedas que engranan tienen el mismo módulo, y su distancia entre centros es a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. La velocidad en la circunferencia primitiva es v = π·d·n/60, y la fuerza tangencial en el diente se obtiene del par: Ft = 2T/d.

Número total de dientes

N1 + N2 = 2a/m = 2·67,5/3 = 45

Reparte según la relación

N1 = 45/(1 + 2) = 15
N2 = 2·15 = 30

Respuesta

N2 = 30
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 5,727 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 = 3 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,8999 = 2,459, T₂ = 800/2,459 = 325,3 N

Potencia

P = (800 − 325,3)·12,06 = 5,727 kW

Respuesta

P = 5,727 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 0,897 m

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.

Despeja la longitud

L = g·(T/2π)² = 9,81·(1,9/2π)² = 0,897 m

Respuesta

L = 0,897 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: vmax = 0,6733 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 = √(340/1,2) = 16,83 rad/s

Velocidad máxima

vmax = A·ω = 0,04·16,83 = 0,6733 m/s

Respuesta

vmax = 0,6733 m/s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 2,251 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 = √(40000/150) = 16,33 rad/s
fn = 16,33/(2π) = 2,599 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,599·√(1 − 0,5²) = 2,251 Hz

Respuesta

fd = 2,251 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 25 kN/m

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 uno al lado del otro comparten la deformación y suman sus fuerzas, así que sus rigideces simplemente se suman: k = k1 + k2.

keq = 15 + 10 = 25 kN/m

Respuesta

keq = 25 kN/m

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