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)1,3 s20

Una conductora que circula a 72 km/h ve un obstáculo. Su tiempo de reacción es 1,3 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 = 72 km/htr = 1,3 sa = −4,5 m/s²
d = m
2.CinemáticaDifícil
a = 40 m/s²

Un cohete de modelismo se lanza verticalmente hacia arriba desde el reposo. Su motor le da una aceleración constante hacia arriba de 40 m/s² durante 1 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 = 40 m/s²t1 = 1 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 45°a = ?m = 16 kg

Un bloque de 16 kg baja deslizando por una rampa inclinada 45° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 16 kgθ = 45°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
8 kg11 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 11 kg; el bloque de 8 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de los bloques.

m1 = 8 kgm2 = 11 kgF = 120 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 16 m/s40°alcance

Se lanza una pelota a 40° 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 = 16 m/sθ = 40°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Tiro parabólicoDifícil
24 mv0​ = 30 m/s60°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 30 m/s y 60° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 24 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 = 30 m/sθ = 60°hroof = 24 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 120 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 120 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,4. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 120 mμs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
θ = 8°hacia el centrovmax​ = ?

Una curva de radio 170 m tiene un peralte de 8°, y el coeficiente de rozamiento estático entre neumáticos y carretera es 0,1. 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 = 170 mθ = 8°μs = 0,1g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
25°d = 4 mμ = 0,3

Un bloque baja desde el reposo por una rampa inclinada 25° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3. Halla su velocidad v tras deslizar 4 m por la rampa.

θ = 25°μ = 0,3d = 4 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 4,5 mL = 3 mμ = 0,15k = 500 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 2 kg a una altura de 4,5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 3 m (μ = 0,15) y después choca contra un muelle (k = 500 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 2 kgh = 4,5 mL = 3 mμ = 0,15k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
4 kg30 m/s1 kgv′2​ = ?

Un proyectil de 5 kg que se mueve horizontalmente a 23 m/s explota en dos fragmentos que se mueven a lo largo de la misma recta. El fragmento de 4 kg sigue hacia delante a 30 m/s. Halla la velocidad v′2 del fragmento de 1 kg (positiva en el sentido original).

M = 5 kgu = 23 m/sm1 = 4 kgv′1 = 30 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1100 kg25 m/s1500 kg21 m/sθ = ?

En un cruce, un coche de 1100 kg que circula hacia el este a 25 m/s choca con un coche de 1500 kg que circula hacia el norte a 21 m/s. Los coches quedan unidos. Halla la dirección θ de los restos justo después del choque, medida desde el este hacia el norte.

m1 = 1100 kgv1 = 25 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 21 m/s (N)
θ = °
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 2100 rpmT = 1750 N·m

Un motor entrega un par de 1750 N·m a 2100 rpm. Halla su potencia de salida P en kW.

T = 1750 N·mn = 2100 rpm
P = kW
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
disco: 10 kganillo: 20 kgn1​ = 550 rpm

Un disco macizo uniforme (masa 10 kg, radio 0,25 m) gira libremente a 550 rpm alrededor de un eje vertical sin rozamiento. Un anillo delgado de masa 20 kg y el mismo radio se deja caer sobre él desde el reposo, centrado en el eje, y ambos pasan rápidamente a girar juntos. ¿Cuánta energía cinética ΔE se pierde en el proceso?

Mdisc = 10 kgMring = 20 kgR = 0,25 mn1 = 550 rpm
ΔE = J
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
Nw​ = 40z = 3, 1450 rpm

Un tornillo sinfín de 3 entrada(s) gira a 1450 rpm y acciona una rueda helicoidal de 40 dientes. Halla la velocidad nw de la rueda.

z = 3Nw = 40n = 1450 rpm
nw = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm720 rpmC = 500 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 100 mm a 720 rpm con una polea de 200 mm; los centros están separados 500 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,3 y la tensión del ramal tenso no puede superar 2000 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmd2 = 200 mmC = 500 mmμ = 0,3T1 = 2000 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
L = 2,3 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 2,3 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 2,3 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
0,5 kgk = 260 N/mA = 6 cm

Una masa de 0,5 kg unida a un muelle con k = 260 N/m se separa 6 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.

m = 0,5 kgk = 260 N/mA = 6 cm
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 200 kN/mζ = 0,3m = 200 kg

Una masa de 200 kg sobre un muelle con una rigidez de 200 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 = 200 kgk = 200 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 25k3​ = 15m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga del muelle k₃ = 15 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 15 kN/m y k₂ = 25 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 = 5 kgk1 = 15 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 70,44 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 = 72/3,6 = 20 m/s

Distancia de reacción

d1 = v₀·tr = 20·1,3 = 26 m

Distancia de frenado

d2 = v₀²/(2a) = 20²/(2·4,5) = 44,44 m

Total

d = 26 + 44,44 = 70,44 m

Respuesta

d = 70,44 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 101,5 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 = 40·1 = 40 m/s
h₁ = ½·40·1² = 20 m

Vuelo libre hacia arriba

En el punto más alto la velocidad es nula.

Δh = v₁²/(2g) = 40²/(2·9,81) = 81,55 m
hmax = 20 + 81,55 = 101,5 m

Respuesta

hmax = 101,5 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 6,243 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° − 0,1·cos 45°) = 9,81·(0,7071 − 0,07071) = 6,243 m/s²

Respuesta

a = 6,243 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 5,335 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.

Sistema completo

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (120 − 18,64)/19 = 5,335 m/s²

Respuesta

a = 5,335 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: t = 2,097 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 = 16·cos 40° = 12,26 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 40° = 10,28 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·10,28/9,81 = 2,097 s

Respuesta

t = 2,097 s
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 61,57 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 = 15 m/s, vy = 25,98 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

24 = 25,98·t − 4,905·t²
t = (25,98 + √(25,98² − 2·9,81·24))/9,81 = 4,105 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 15·4,105 = 61,57 m

Respuesta

x = 61,57 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 21,7 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) = √(0,4·9,81·120) = 21,7 m/s

Respuesta

vmax = 21,7 m/s (78,12 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 20,17 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 = √(170·9,81·0,2382/0,9764) = 20,17 m/s

Respuesta

vmax = 20,17 m/s
(72,62 km/h)
9.Trabajo y energía

Respuesta: v = 3,439 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 = √(2·9,81·4·(0,4226 − 0,3·0,9063)) = 3,439 m/s

Respuesta

v = 3,439 m/s
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 56,38 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 = 19,62·(4,5 − 0,15·3) = 79,46 J

Compresión máxima

½kx² = 79,46 → x = √(2·79,46/500) = 0,5638 m = 56,38 cm

Respuesta

x = 56,38 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = −5 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 = 5·23 = 115 kg·m/s

Cantidad de movimiento después

115 = 4·30 + 1·v′2
v′2 = (115 − 120)/1 = −5 m/s

Respuesta

v′2 = −5 m/s

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: θ = 48,88 °

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 = 1100·25 = 27500 kg·m/s
py = 1500·21 = 31500 kg·m/s

Dirección

tan θ = py/px = 1,145 → θ = 48,88°

Respuesta

θ = 48,88°
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: P = 384,8 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·2100/60 = 219,9 rad/s

Potencia

P = T·ω = 1750·219,9 = 384845 W = 384,8 kW

Respuesta

P = 384,8 kW
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ΔE = 414,7 J

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.

Momentos de inercia

I1 = ½·10·0,25² = 0,3125 kg·m²
I2 = 20·0,25² = 1,25 kg·m²

Conservación del momento angular

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 550·0,3125/1,563 = 110 rpm

Energía cinética antes y después

E1 = ½·0,3125·57,6² = 518,3 J
E2 = ½·1,563·11,52² = 103,7 J
ΔE = 518,3 − 103,7 = 414,7 J

Respuesta

ΔE = 414,7 J
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nw = 108,8 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.

Velocidad de la rueda

nw = n·z/Nw = 1450·3/40 = 108,8 rpm

Respuesta

nw = 108,8 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 4,42 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 = 2,941 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,8824 = 2,417, T₂ = 2000/2,417 = 827,6 N

Potencia

P = (2000 − 827,6)·3,77 = 4,42 kW

Respuesta

P = 4,42 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 3,042 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·√(2,3/9,81) = 3,042 s

Respuesta

T = 3,042 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: vmax = 1,368 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 = √(260/0,5) = 22,8 rad/s

Velocidad máxima

vmax = A·ω = 0,06·22,8 = 1,368 m/s

Respuesta

vmax = 1,368 m/s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 4,801 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 = √(200000/200) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,033·√(1 − 0,3²) = 4,801 Hz

Respuesta

fd = 4,801 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 7,434 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 = 15 + 25 = 40 kN/m
keq = 40·15/(40 + 15) = 10,91 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(10909/5) = 46,71 rad/s
fn = 46,71/(2π) = 7,434 Hz

Respuesta

fn = 7,434 Hz

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