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)t = ?30

Un coche que circula a 108 km/h frena con una deceleración constante de 8 m/s² hasta detenerse. ¿Cuánto dura la frenada? Halla t.

v₀ = 108 km/ha = −8 m/s²v = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 15 m/s40 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 15 m/s desde el borde de un tejado situado a 40 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 = 15 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
30 kg25°F = 70 Nμ = 0,2

Se arrastra un trineo de 30 kg por nieve horizontal con una cuerda a 25° por encima de la horizontal y una fuerza de 70 N. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del trineo.

m = 30 kgF = 70 Nθ = 25°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 2,5 kg5,5 kgμ = 0,25

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 5,5 kg. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la mesa es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 2,5 kgm2 = 5,5 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 26 m/s45°alcance

Se lanza una pelota a 45° 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 = 26 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Tiro parabólicoDifícil
5 mv0​ = 26 m/s50°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 26 m/s y 50° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 5 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 = 26 m/sθ = 50°hroof = 5 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 25 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 25 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 = 25 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
θ = 18°hacia el centrovmax​ = ?

Una curva de radio 50 m tiene un peralte de 18°, y el coeficiente de rozamiento estático entre neumáticos y carretera es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que un coche puede tomar la curva sin deslizar hacia arriba y hacia fuera.

r = 50 mθ = 18°μs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
45°d = 9 mμ = 0,1

Un bloque baja desde el reposo por una rampa inclinada 45° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1. Halla su velocidad v tras deslizar 9 m por la rampa.

θ = 45°μ = 0,1d = 9 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 1,5 mL = 3 mμ = 0,2k = 2000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 1 kg a una altura de 1,5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 3 m (μ = 0,2) y después choca contra un muelle (k = 2000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 1 kgh = 1,5 mL = 3 mμ = 0,2k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
3 kg97 m/s2 kgv′2​ = ?

Un proyectil de 5 kg que se mueve horizontalmente a 39 m/s explota en dos fragmentos que se mueven a lo largo de la misma recta. El fragmento de 3 kg sigue hacia delante a 97 m/s. Halla la velocidad v′2 del fragmento de 2 kg (positiva en el sentido original).

M = 5 kgu = 39 m/sm1 = 3 kgv′1 = 97 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1000 kgv1​ = ?1600 kg

Un coche de 1000 kg choca con un coche aparcado de 1600 kg. Los restos quedan unidos y derrapan 21 m antes de detenerse. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,75. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v1 del primer coche justo antes del choque.

m1 = 1000 kgm2 = 1600 kgd = 21 mμ = 0,75g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 1500 rpmTb​ = 50 N·mI = 10,5 kg·m²

Un volante de inercia con un momento de inercia de 10,5 kg·m² gira a 1500 rpm. Un freno aplica un par de rozamiento constante de 50 N·m. ¿Cuánto tiempo t tarda en detenerse?

I = 10,5 kg·m²n = 1500 rpmTb = 50 N·m
t = s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 30°a

Un cuerpo (esfera maciza) rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 30° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla el menor coeficiente de rozamiento estático μs que evita que deslice.

θ = 30°I = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²
μs =
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm720 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 600 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 100 mm a 720 rpm. La tensión es de 1200 N en el ramal tenso y de 600 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmT1 = 1200 NT2 = 600 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 32B = 48C = 40D = 72

Un motor de 5,5 kW a 2900 rpm acciona la rueda A (32 dientes), que engrana con la rueda B (48 dientes). La rueda C (40 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (72 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida Tout.

P = 5,5 kWnin = 2900 rpmA = 32B = 48C = 40D = 72ηmesh = 97%
Tout = N·m
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

¿Qué longitud debe tener un péndulo simple para que su periodo sea de 2,9 s? Usa g = 9,81 m/s². Halla L.

T = 2,9 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
0,7 kgk = 140 N/mA = 9 cm

Una masa de 0,7 kg unida a un muelle con k = 140 N/m se separa 9 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.

m = 0,7 kgk = 140 N/mA = 9 cm
amax = m/s²
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx25 mm1 ciclo11,7 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 25 mm le sigue un ciclo después un pico de 11,7 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 25 mmx1 = 11,7 mmn = 1
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 60m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 20 kN/m y el inferior k₂ = 60 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 10 kgk1 = 20 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: t = 3,75 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.

Unidades

v₀ = 108/3,6 = 30 m/s

Tiempo de frenado

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 30/8 = 3,75 s

Respuesta

t = 3,75 s
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 51,47 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 = 15²/(2·9,81) = 11,47 m

Altura sobre el suelo

hmax = 40 + 11,47 = 51,47 m

Respuesta

hmax = 51,47 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 0,3499 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 = 294,3 − 70·sin 25° = 264,7 N

Fuerzas horizontales

m·a = F·cos θ − μ·N = 63,44 − 52,94
a = 10,5/30 = 0,3499 m/s²

Respuesta

a = 0,3499 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 21,08 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) = (53,96 − 6,131)/8 = 5,978 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 2,5·5,978 + 6,131 = 21,08 N

Respuesta

T = 21,08 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: t = 3,748 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 = 26·cos 45° = 18,38 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 45° = 18,38 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·18,38/9,81 = 3,748 s

Respuesta

t = 3,748 s
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 63,37 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 = 16,71 m/s, vy = 19,92 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

5 = 19,92·t − 4,905·t²
t = (19,92 + √(19,92² − 2·9,81·5))/9,81 = 3,792 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 16,71·3,792 = 63,37 m

Respuesta

x = 63,37 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 12,13 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) = √(0,6·9,81·25) = 12,13 m/s

Respuesta

vmax = 12,13 m/s (43,67 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 18,43 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 abajo.

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

Rapidez

v = √(50·9,81·0,5943/0,8584) = 18,43 m/s

Respuesta

vmax = 18,43 m/s
(66,34 km/h)
9.Trabajo y energía

Respuesta: v = 10,6 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 = √(2·9,81·9·(0,7071 − 0,1·0,7071)) = 10,6 m/s

Respuesta

v = 10,6 m/s
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 9,396 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 = 9,81·(1,5 − 0,2·3) = 8,829 J

Compresión máxima

½kx² = 8,829 → x = √(2·8,829/2000) = 0,09396 m = 9,396 cm

Respuesta

x = 9,396 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = −48 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 = 5·39 = 195 kg·m/s

Cantidad de movimiento después

195 = 3·97 + 2·v′2
v′2 = (195 − 291)/2 = −48 m/s

Respuesta

v′2 = −48 m/s

El signo menos significa que el segundo fragmento sale despedido hacia atrás.

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v1 = 45,7 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) = √(2·0,75·9,81·21) = 17,58 m/s

Cantidad de movimiento en el choque

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2600·17,58/1000 = 45,7 m/s

Respuesta

v1 = 45,7 m/s
(164,5 km/h)
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: t = 32,99 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.

Velocidad angular

ω = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s

Deceleración y tiempo

α = Tb/I = 50/10,5 = 4,762 rad/s²
t = ω/α = 157,1/4,762 = 32,99 s

Respuesta

t = 32,99 s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: μs = 0,165

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.

Ecuaciones del movimiento

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,4·m·r²·(a/r) → f = 0,4·m·a

Aceleración

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 30°/1,4 = 3,504 m/s²

Rozamiento necesario

f = c·m·a ≤ μ·m·g·cos θ → μ ≥ c·tan θ/(1 + c)
μs = 0,4·tan 30°/1,4 = 0,165

Respuesta

μs = 0,165
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,262 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 = 3,77 m/s

Potencia

P = (1200 − 600)·3,77 = 2262 W = 2,262 kW

Respuesta

P = 2,262 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 46,01 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.

Velocidad de salida

nout = 2900·(32/48)·(40/72) = 1074 rpm
ωout = 2π·1074/60 = 112,5 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 5500·0,97² = 5175 W
Tout = Pout/ωout = 5175/112,5 = 46,01 N·m

Respuesta

Tout = 46,01 N·m
17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 2,09 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·(2,9/2π)² = 2,09 m

Respuesta

L = 2,09 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: amax = 18 m/s²

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 = √(140/0,7) = 14,14 rad/s

Aceleración máxima

amax = A·ω² = 0,09·14,14² = 18 m/s²

Respuesta

amax = 18 m/s²
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,12

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.

Decremento logarítmico

δ = (1/1)·ln(25/11,7) = 0,7593

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7593/√(39,48 + 0,5765) = 0,12

Respuesta

ζ = 0,12
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 6,164 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 = 1/20 + 1/60 → keq = 20·60/(20 + 60) = 15 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(15000/10) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Respuesta

fn = 6,164 Hz

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