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)3,125 s12,5

Un coche que circula a 45 km/h frena con una deceleración constante de 4 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 45 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
AB: 30 m/s55 m

La bola A se deja caer desde el reposo desde una altura de 55 m. En el mismo instante, la bola B se lanza verticalmente hacia arriba desde el suelo, justo debajo, a 30 m/s. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿Cuándo se encuentran las bolas? Halla t.

H = 55 mv0B = 30 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 20°a = ?m = 7 kg

Un bloque de 7 kg baja deslizando por una rampa inclinada 20° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 7 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 6,5 kg5 kgμ = 0,25

Un bloque de 6,5 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 5 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 = 6,5 kgm2 = 5 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
55 my = ?v0​ = 28 m/s40°

Se chuta una pelota desde un terreno horizontal a 28 m/s y 40° por encima de la horizontal hacia una pared situada a 55 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura y pasa la pelota por la pared?

v₀ = 28 m/sθ = 40°x = 55 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Tiro parabólicoDifícil
16 mv0​ = 35 m/s65°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 35 m/s y 65° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 16 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 = 35 m/sθ = 65°hroof = 16 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 65 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 65 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 = 65 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,8 m9,5 m/svtop​ = ?

Una bola de 0,9 kg sujeta a un hilo ligero de 0,8 m de longitud se hace girar en una circunferencia vertical. En el punto más bajo su velocidad es 9,5 m/s. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión Ttop del hilo en el punto más alto.

m = 0,9 kgr = 0,8 mvbottom = 9,5 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Trabajo y energíaMedia
15°d = 13 mμ = 0,15

Un bloque baja desde el reposo por una rampa inclinada 15° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,15. Halla su velocidad v tras deslizar 13 m por la rampa.

θ = 15°μ = 0,15d = 13 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 1 mL = 3,5 mμ = 0,15k = 800 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 1 kg a una altura de 1 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 3,5 m (μ = 0,15) y después choca contra un muelle (k = 800 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 1 kgh = 1 mL = 3,5 mμ = 0,15k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
0,5 kg5 m/s4,5 kg

Un deslizador de 0,5 kg que se mueve a 5 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 4,5 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′2 del segundo deslizador después del choque.

m1 = 0,5 kgm2 = 4,5 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
11 m/s20 m/s

Una pelota de 0,45 kg golpea una pared a 11 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 20 m/s. El contacto dura 20 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,45 kgvin = 11 m/svout = 20 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 0,6 mm = 1,5 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 1,5 kg y longitud 0,6 m está articulada por un extremo y se mantiene horizontal. Se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza vertical R que el pasador ejerce sobre la barra justo después de soltarla.

m = 1,5 kgL = 0,6 mg = 9,81 m/s²
R = N
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
disco: 30 kganillo: 16 kgn1​ = 650 rpm

Un disco macizo uniforme (masa 30 kg, radio 0,1 m) gira libremente a 650 rpm alrededor de un eje vertical sin rozamiento. Un anillo delgado de masa 16 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 = 30 kgMring = 16 kgR = 0,1 mn1 = 650 rpm
ΔE = J
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
Tw​ = ?z = 3, 1440 rpm

Un motor de 0,55 kW a 1440 rpm acciona un tornillo sinfín de 3 entrada(s). La rueda tiene 45 dientes y la transmisión tiene un rendimiento del 65 %. Halla el par de salida Tw en el eje de la rueda.

z = 3Nw = 45n = 1440 rpmP = 0,55 kWη = 65%
Tw = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 450 mm960 rpmC = 500 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 80 mm y una polea de 450 mm cuyos centros están separados 500 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 80 mmd2 = 450 mmC = 500 mm
θ = °
17.Muelles y péndulosMedia
1,7 kgk = 450 N/mA = 10 cmx = 7 cm

Una masa de 1,7 kg unida a un muelle con k = 450 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 10 cm. Halla su velocidad v cuando está a 7 cm del equilibrio.

m = 1,7 kgk = 450 N/mA = 10 cmx = 7 cm
v = m/s
18.Muelles y péndulosDifícil
mk = 130 N/mA = 7 cmx = 3 cm

Una masa unida a un muelle con k = 130 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 7 cm. Halla su energía cinética K cuando está a 3 cm del equilibrio.

k = 130 N/mA = 7 cmx = 3 cm
K = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx30 mm2 ciclos16 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 30 mm le sigue 2 ciclos después un pico de 16 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 30 mmx2 = 16 mmn = 2
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 30m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 50 kN/m y el inferior k₂ = 30 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 50 kgk1 = 50 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 19,53 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 = 45/3,6 = 12,5 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·4) = 19,53 m

Respuesta

s = 19,53 m
2.Cinemática

Respuesta: t = 1,833 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.

Instante del encuentro

Hacia arriba es positivo; el suelo es y = 0.

55 − ½g·t² = 30·t − ½g·t² → t = 55/30 = 1,833 s

Respuesta

t = 1,833 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 1,512 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 20° − 0,2·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,1879) = 1,512 m/s²

Respuesta

a = 1,512 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 34,65 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) = (49,05 − 15,94)/11,5 = 2,879 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 6,5·2,879 + 15,94 = 34,65 N

Respuesta

T = 34,65 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: y = 13,9 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.

Tiempo hasta la pared

vx = 28·cos 40° = 21,45 m/s
t = x/vx = 55/21,45 = 2,564 s

Altura en ese instante

y = 18·2,564 − ½·9,81·2,564² = 13,9 m

Respuesta

y = 13,9 m

En la pared la pelota ya está bajando.

6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 87,5 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 = 14,79 m/s, vy = 31,72 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

16 = 31,72·t − 4,905·t²
t = (31,72 + √(31,72² − 2·9,81·16))/9,81 = 5,916 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 14,79·5,916 = 87,5 m

Respuesta

x = 87,5 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 19,56 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) = √(0,6·9,81·65) = 19,56 m/s

Respuesta

vmax = 19,56 m/s (70,42 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: Ttop = 57,39 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.

Velocidad en lo más alto

La energía cinética se transforma en energía potencial a lo largo de una altura 2r.

vtop² = 9,5² − 4·9,81·0,8 = 58,86 m²/s²

Fuerzas en lo más alto

La tensión y la gravedad apuntan ambas hacia abajo, hacia el centro.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0,9·58,86/0,8 − 0,9·9,81 = 57,39 N

Respuesta

Ttop = 57,39 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: v = 5,391 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 = √(2·9,81·13·(0,2588 − 0,15·0,9659)) = 5,391 m/s

Respuesta

v = 5,391 m/s
10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 10,79 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 − 0,15·3,5) = 4,66 J

Compresión máxima

½kx² = 4,66 → x = √(2·4,66/800) = 0,1079 m = 10,79 cm

Respuesta

x = 10,79 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 1 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 = (0,5 − 4,5)/(0,5 + 4,5)·5 = −4 m/s
v′2 = 2·0,5/(0,5 + 4,5)·5 = 1 m/s

Respuesta

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

Respuesta: Favg = 697,5 N

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·(20 + 11) = 13,95 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 13,95/0,02 = 697,5 N

Respuesta

Favg = 697,5 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: R = 3,679 N

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.

Momentos respecto al pasador

En el instante de soltarla ω = 0, así que no hay aceleración centrípeta y el centro acelera directamente hacia abajo.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·0,6) = 24,53 rad/s²

Fuerzas verticales

aG = α·L/2 = 7,357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 1,5·(9,81 − 7,357) = 3,679 N

Respuesta

R = 3,679 N

R = m·g/4, independiente de la longitud.

14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ΔE = 179,4 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 = ½·30·0,1² = 0,15 kg·m²
I2 = 16·0,1² = 0,16 kg·m²

Conservación del momento angular

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 650·0,15/0,31 = 314,5 rpm

Energía cinética antes y después

E1 = ½·0,15·68,07² = 347,5 J
E2 = ½·0,31·32,94² = 168,1 J
ΔE = 347,5 − 168,1 = 179,4 J

Respuesta

ΔE = 179,4 J
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tw = 35,56 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 la rueda

nw = n·z/Nw = 1440·3/45 = 96 rpm

Par de salida

ωw = 2π·96/60 = 10,05 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,65·550/10,05 = 35,56 N·m

Respuesta

Tw = 35,56 N·m
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 136,6 °

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 la correa

asin(0,37) = 21,72°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·21,72 = 136,6°

Respuesta

θ = 136,6°
17.Muelles y péndulos

Respuesta: v = 1,162 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 = √(450/1,7) = 16,27 rad/s

Velocidad en x

v = ω·√(A² − x²) = 16,27·√(0,1² − 0,07²) = 1,162 m/s

Respuesta

v = 1,162 m/s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: K = 0,26 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 = ½·130·0,07² = 0,3185 J

Energía del muelle en x

U = ½·k·x² = ½·130·0,03² = 0,0585 J

Energía cinética

K = 0,3185 − 0,0585 = 0,26 J

Respuesta

K = 0,26 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,04996

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 = (1/2)·ln(30/16) = 0,3143

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3143/√(39,48 + 0,09879) = 0,04996

Respuesta

ζ = 0,04996
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 = 1/50 + 1/30 → keq = 50·30/(50 + 30) = 18,75 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(18750/50) = 19,36 rad/s
fn = 19,36/(2π) = 3,082 Hz

Respuesta

fn = 3,082 Hz

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