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)3,704 s22,22

Un coche que circula a 80 km/h frena con una deceleración constante de 6 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 80 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 8 m/s25 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 8 m/s desde el borde de un tejado situado a 25 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 = 8 m/sh₀ = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 30°a = ?m = 15 kg

Un bloque de 15 kg baja deslizando por una rampa inclinada 30° 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 = 15 kgθ = 30°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 5 kg5,5 kgθ = 35°

Un bloque de 5 kg sobre una rampa de 35° está unido mediante un hilo ligero, que pasa por una polea sin rozamiento en lo alto de la rampa, a una masa colgante de 5,5 kg. La masa colgante baja. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la rampa es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 5 kgm2 = 5,5 kgθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = ?70°R = 45 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 70° por encima de la horizontal y cae a 45 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad de lanzamiento v0.

θ = 70°R = 45 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Tiro parabólicoDifícil
15 mv0​ = 39 m/s40°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 39 m/s y 40° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 15 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 = 39 m/sθ = 40°hroof = 15 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 135 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 135 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 135 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,9 mv = 3 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 0,2 kg atada a una cuerda de 0,9 m. En el punto más bajo se mueve a 3 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 0,2 kgr = 0,9 mv = 3 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
30°d = 9 mμ = 0,25

Un bloque de 5 kg desliza 9 m por una rampa inclinada 30° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,25. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 5 kgθ = 30°μ = 0,25d = 9 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
8 kg5 kgμ = 0,2d = 2 m

Un bloque de 8 kg descansa sobre una mesa horizontal rugosa (μ = 0,2). Un hilo ligero va desde él, pasando por una polea lisa en el borde de la mesa, hasta un bloque colgante de 5 kg. El sistema se suelta desde el reposo. Halla la velocidad v de los bloques cuando el bloque colgante ha bajado 2 m.

m1 = 8 kgm2 = 5 kgμ = 0,2d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
1 kg6 m/s2,5 kg

Un deslizador de 1 kg que se mueve a 6 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 2,5 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 = 2,5 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
2000 kg19 m/s1700 kg17 m/sv′ = ?

En un cruce, un coche de 2000 kg que circula hacia el este a 19 m/s choca con un coche de 1700 kg que circula hacia el norte a 17 m/s. Los coches quedan unidos. Halla la velocidad v′ de los restos justo después del choque.

m1 = 2000 kgv1 = 19 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 17 m/s (N)
v′ = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 1000 rpmTb​ = 105 N·mI = 16 kg·m²

Un volante de inercia con un momento de inercia de 16 kg·m² gira a 1000 rpm. Un freno aplica un par de rozamiento constante de 105 N·m. ¿Cuánto tiempo t tarda en detenerse?

I = 16 kg·m²n = 1000 rpmTb = 105 N·m
t = s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
disco: 9 kganillo: 18 kgn1​ = 500 rpm

Un disco macizo uniforme (masa 9 kg, radio 0,4 m) gira libremente a 500 rpm alrededor de un eje vertical sin rozamiento. Un anillo delgado de masa 18 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 = 9 kgMring = 18 kgR = 0,4 mn1 = 500 rpm
ΔE = J
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 30N2​ = 36

Un motor de 11 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 30 dientes, que engrana con una rueda de 36 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 11 kWn1 = 2900 rpmN1 = 30N2 = 36η = 95%
T1 = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm2880 rpmC = 600 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 100 mm a 2880 rpm con una polea de 400 mm; los centros están separados 600 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,3 y la tensión del ramal tenso no puede superar 600 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 100 mmn1 = 2880 rpmd2 = 400 mmC = 600 mmμ = 0,3T1 = 600 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
L = 1,1 m

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

L = 1,1 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
1,2 kgk = 40 N/mA = 9 cm

Una masa de 1,2 kg unida a un muelle con k = 40 N/m se separa 9 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.

m = 1,2 kgk = 40 N/mA = 9 cm
amax = m/s²
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx40 mm3 ciclos15,6 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 40 mm le sigue 3 ciclos después un pico de 15,6 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 40 mmx3 = 15,6 mmn = 3
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 60m = 40 kg

Una masa de 40 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 = 40 kgk1 = 20 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 41,15 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 = 80/3,6 = 22,22 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22,22²/(2·6) = 41,15 m

Respuesta

s = 41,15 m
2.Cinemática

Respuesta: t = 3,216 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.

−25 = 8·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 8·t − 25 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (8 + √(8² + 2·9,81·25))/9,81 = 3,216 s

Respuesta

t = 3,216 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 4,055 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 30° − 0,1·cos 30°) = 9,81·(0,5 − 0,0866) = 4,055 m/s²

Respuesta

a = 4,055 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 44,64 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.

Fuerzas a lo largo del hilo

m₂·g = 53,96 N
m₁·g·sin θ = 28,13 N
μ·m₁·g·cos θ = 8,036 N

Aceleración del sistema

a = (53,96 − 28,13 − 8,036)/10,5 = 1,694 m/s²

Tensión a partir de la masa colgante

m2·g − T = m2·a → T = 5,5·(9,81 − 1,694) = 44,64 N

Respuesta

T = 44,64 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: v0 = 26,21 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) = √(9,81·45/sin 140°) = 26,21 m/s

Respuesta

v0 = 26,21 m/s
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 132 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 = 29,88 m/s, vy = 25,07 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

15 = 25,07·t − 4,905·t²
t = (25,07 + √(25,07² − 2·9,81·15))/9,81 = 4,419 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 29,88·4,419 = 132 m

Respuesta

x = 132 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 19,93 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) = √(0,3·9,81·135) = 19,93 m/s

Respuesta

vmax = 19,93 m/s (71,76 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 3,962 N

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.

Fuerzas en el punto más bajo

Hacia el centro (hacia arriba) es positivo.

T − m·g = m·v²/r
T = 0,2·9,81 + 0,2·3²/0,9 = 1,962 + 2 = 3,962 N

Respuesta

T = 3,962 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 95,58 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 = 49,05·0,866 = 42,48 N
F = μN = 0,25·42,48 = 10,62 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 10,62·9 = 95,58 J

Respuesta

Wf = 95,58 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 3,204 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).

Energía liberada y perdida

m₂g·d = 49,05·2 = 98,1 J
μ·m₁g·d = 0,2·78,48·2 = 31,39 J

Energía cinética de ambos bloques

½(m₁ + m₂)v² = 66,71 → v = √(2·66,71/13) = 3,204 m/s

Respuesta

v = 3,204 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = −2,571 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 − 2,5)/(1 + 2,5)·6 = −2,571 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 2,5)·6 = 3,429 m/s

Respuesta

v′1 = −2,571 m/s

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′ = 12,9 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 = 2000·19 = 38000 kg·m/s
py = 1700·17 = 28900 kg·m/s

Velocidad de los restos

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 47741/3700 = 12,9 m/s

Respuesta

v′ = 12,9 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: t = 15,96 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·1000/60 = 104,7 rad/s

Deceleración y tiempo

α = Tb/I = 105/16 = 6,563 rad/s²
t = ω/α = 104,7/6,563 = 15,96 s

Respuesta

t = 15,96 s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ΔE = 789,6 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 = ½·9·0,4² = 0,72 kg·m²
I2 = 18·0,4² = 2,88 kg·m²

Conservación del momento angular

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 500·0,72/3,6 = 100 rpm

Energía cinética antes y después

E1 = ½·0,72·52,36² = 987 J
E2 = ½·3,6·10,47² = 197,4 J
ΔE = 987 − 197,4 = 789,6 J

Respuesta

ΔE = 789,6 J
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 36,22 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.

Par del motor

ω₁ = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/303,7 = 36,22 N·m

Respuesta

T1 = 36,22 N·m
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 4,945 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 = 2,636 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,7909 = 2,205, T₂ = 600/2,205 = 272,1 N

Potencia

P = (600 − 272,1)·15,08 = 4,945 kW

Respuesta

P = 4,945 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 2,104 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·√(1,1/9,81) = 2,104 s

Respuesta

T = 2,104 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: amax = 3 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 = √(40/1,2) = 5,774 rad/s

Aceleración máxima

amax = A·ω² = 0,09·5,774² = 3 m/s²

Respuesta

amax = 3 m/s²
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,04989

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 = (1/3)·ln(40/15,6) = 0,3139

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3139/√(39,48 + 0,09851) = 0,04989

Respuesta

ζ = 0,04989
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 3,082 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 = √(15000/40) = 19,36 rad/s
fn = 19,36/(2π) = 3,082 Hz

Respuesta

fn = 3,082 Hz

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