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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
Anota lo que sabes: v₀, v, a, t y s, con unidades.
Elige la ecuación que contiene tus tres datos conocidos y la incógnita.
Elige un sentido positivo y da signo menos a las magnitudes en sentido contrario.
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
Dibuja un diagrama de cuerpo libre con todas las fuerzas sobre el cuerpo.
Elige un sentido positivo a lo largo del movimiento.
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).
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
Descompón la velocidad de lanzamiento en componentes: vx = v₀·cos θ y vy = v₀·sin θ.
El movimiento horizontal tiene velocidad constante; el vertical tiene aceleración −g.
Halla el tiempo de vuelo a partir del movimiento vertical.
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
Elige un sentido positivo y da a cada velocidad su signo.
Escribe la cantidad de movimiento total antes: Σm·v.
En un choque perfectamente inelástico los cuerpos se mueven juntos después; en uno elástico también se conserva la energía cinética.
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
Elige el eje: un pivote fijo, o el centro de masa para cuerpos que ruedan.
Halla el momento de inercia respecto a ese eje a partir de los resultados estándar, usando I = IG + m·d² para un eje desplazado.
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.
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
Una conductora que circula a 100 km/h ve un obstáculo. Su tiempo de reacción es 0,7 s, tras el cual el coche frena con una deceleración constante de 8 m/s². Halla la distancia total de detención d desde el momento en que ve el obstáculo.
v₀ = 100 km/htr = 0,7 sa = −8 m/s²
d = m
2.CinemáticaDifícil
Un cohete de modelismo se lanza verticalmente hacia arriba desde el reposo. Su motor le da una aceleración constante hacia arriba de 24 m/s² durante 2,5 s; después el motor se apaga y el cohete se mueve libremente. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿Cuánto tiempo después del lanzamiento llega al suelo? Halla t.
a = 24 m/s²t1 = 2,5 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
Dos masas de 5,5 kg y 3 kg cuelgan a ambos lados de una polea ligera y sin rozamiento, unidas por un hilo ligero. El sistema se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de las masas.
m1 = 5,5 kgm2 = 3 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
Un bloque de 2 kg sobre una rampa de 30° está unido mediante un hilo ligero, que pasa por una polea sin rozamiento en lo alto de la rampa, a una masa colgante de 7,5 kg. La masa colgante baja. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la rampa es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.
m1 = 2 kgm2 = 7,5 kgθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
Se lanza una pelota a 40° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la altura máxima H que alcanza la pelota.
v0 = 24 m/sθ = 40°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 26 m/s y 30° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 4 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 = 30°hroof = 4 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
Un coche de 1600 kg pasa por la cima de un cambio de rasante a 19 m/s. La cima es un arco de circunferencia de radio 50 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza normal N de la carretera sobre el coche en la cima.
m = 1600 kgv = 19 m/sr = 50 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Movimiento circularDifícil
Una curva de radio 250 m tiene un peralte de 15°, 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 = 250 mθ = 15°μs = 0,1g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
Un bloque de 4 kg desliza 9 m por una rampa inclinada 40° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,2. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.
m = 4 kgθ = 40°μ = 0,2d = 9 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
Se suelta desde el reposo un bloque de 5 kg a una altura de 3 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 1 m (μ = 0,1) y después choca contra un muelle (k = 2500 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.
m = 5 kgh = 3 mL = 1 mμ = 0,1k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
Un deslizador de 3 kg que se mueve a 12 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 0,5 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 = 3 kgm2 = 0,5 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
Una pelota de 0,2 kg golpea una pared a 15 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 13 m/s. El contacto dura 40 ms. Halla el módulo del impulso J que la pared ejerce sobre la pelota.
m = 0,2 kgvin = 15 m/svout = 13 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
Una barra esbelta uniforme de masa 17,5 kg y longitud 2,8 m está articulada por un extremo y se mantiene horizontal. Se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla su aceleración angular α justo después de soltarla.
m = 17,5 kgL = 2,8 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
Un disco macizo uniforme (masa 16 kg, radio 0,2 m) gira libremente a 100 rpm alrededor de un eje vertical sin rozamiento. Un anillo delgado de masa 1 kg y el mismo radio se deja caer sobre él desde el reposo, centrado en el eje, y ambos pasan rápidamente a girar juntos. Halla su velocidad común n2 en rpm.
Mdisc = 16 kgMring = 1 kgR = 0,2 mn1 = 100 rpm
n2 = rpm
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
Un motor de 1,5 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 18 dientes y módulo 5 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.
P = 1,5 kWn = 1450 rpmN1 = 18m = 5 mm
Ft = N
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
Una correa abierta conecta una polea de 80 mm y una polea de 200 mm cuyos centros están separados 600 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.
d1 = 80 mmd2 = 200 mmC = 600 mm
θ = °
17.Muelles y péndulosMedia
Un péndulo simple tiene una longitud de 1,9 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.
L = 1,9 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
Una bala de 20 g que se mueve a 350 m/s impacta y se queda incrustada en un bloque de 4 kg que descansa sobre una superficie sin rozamiento. El bloque está unido a un muelle horizontal con k = 1400 N/m. Halla la amplitud A de la oscilación resultante en cm.
m = 20 gv = 350 m/sM = 4 kgk = 1400 N/m
A = cm
19.Vibraciones mecánicasMedia
Una masa de 5 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 40 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 180 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.
m = 5 kgk = 40 kN/mc = 180 N·s/m
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
Una masa de 40 kg cuelga del muelle k₃ = 25 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 = 60 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 = 40 kgk1 = 15 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz
3Disoluciones
1.Cinemática
Respuesta: d = 67,67 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 = 100/3,6 = 27,78 m/s
Distancia de reacción
d1 = v₀·tr = 27,78·0,7 = 19,44 m
Distancia de frenado
d2 = v₀²/(2a) = 27,78²/(2·8) = 48,23 m
Total
d = 19,44 + 48,23 = 67,67 m
Respuesta
d = 67,67 m
2.Cinemática
Respuesta: t = 15,88 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.
Fase propulsada
v₁ = 24·2,5 = 60 m/s
h₁ = ½·24·2,5² = 75 m
Vuelo libre hasta el suelo
Resuelve −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² y toma la raíz positiva.
t₂ = (60 + √(60² + 2·9,81·75))/9,81 = 13,38 s
t = 2,5 + 13,38 = 15,88 s
Respuesta
t = 15,88 s
3.Leyes de Newton
Respuesta: a = 2,885 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.
Aceleración
La fuerza motriz neta es la diferencia de los pesos; mueve la masa total.
a = (5,5 − 3)·9,81/(5,5 + 3) = 2,885 m/s²
Respuesta
a = 2,885 m/s²
4.Leyes de Newton
Respuesta: a = 6,265 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 del hilo
m₂·g = 73,58 N
m₁·g·sin θ = 9,81 N
μ·m₁·g·cos θ = 4,248 N
Aceleración del sistema
a = (73,58 − 9,81 − 4,248)/9,5 = 6,265 m/s²
Respuesta
a = 6,265 m/s²
5.Tiro parabólico
Respuesta: H = 12,13 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
La velocidad horizontal se mantiene constante; el movimiento vertical tiene una aceleración constante g = 9,81 m/s² hacia abajo.
vx = v0·cos θ = 24·cos 40° = 18,39 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 40° = 15,43 m/s
Punto más alto
En lo más alto la velocidad vertical es cero: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 15,43²/(2·9,81) = 12,13 m
Respuesta
H = 12,13 m
6.Tiro parabólico
Respuesta: x = 51,68 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 = 22,52 m/s, vy = 13 m/s
Tiempo hasta caer en la azotea
Raíz mayor: la pelota está bajando.
4 = 13·t − 4,905·t²
t = (13 + √(13² − 2·9,81·4))/9,81 = 2,295 s
Distancia horizontal
x = vx·t = 22,52·2,295 = 51,68 m
Respuesta
x = 51,68 m
7.Movimiento circular
Respuesta: N = 4144 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 lo más alto
Hacia el centro (hacia abajo) es positivo.
m·g − N = m·v²/r
N = 1600·9,81 − 1600·19²/50 = 15696 − 11552 = 4144 N
Respuesta
N = 4144 N
El coche parece más ligero: la carretera empuja hacia arriba menos que su peso.
8.Movimiento circular
Respuesta: vmax = 30,45 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 = √(250·9,81·0,3554/0,94) = 30,45 m/s
Respuesta
vmax = 30,45 m/s
(109,6 km/h)
9.Trabajo y energía
Respuesta: Wf = 54,11 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 = 39,24·0,766 = 30,06 N
F = μN = 0,2·30,06 = 6,012 N
Trabajo contra el rozamiento
Wf = F·d = 6,012·9 = 54,11 J
Respuesta
Wf = 54,11 J
10.Trabajo y energía
Respuesta: x = 33,73 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 = 49,05·(3 − 0,1·1) = 142,2 J
Compresión máxima
½kx² = 142,2 → x = √(2·142,2/2500) = 0,3373 m = 33,73 cm
Respuesta
x = 33,73 cm
11.Cantidad de movimiento y choques
Respuesta: v′1 = 8,571 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 = (3 − 0,5)/(3 + 0,5)·12 = 8,571 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 0,5)·12 = 20,57 m/s
Respuesta
v′1 = 8,571 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques
Respuesta: J = 5,6 N·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.
Variación de la cantidad de movimiento
J = m·Δv = 0,2·(13 + 15) = 5,6 N·s
Respuesta
J = 5,6 N·s
13.Rotación del sólido rígido
Respuesta: α = 5,255 rad/s²
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.
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 = ½·16·0,2² = 0,32 kg·m²
I2 = 1·0,2² = 0,04 kg·m²
Conservación del momento angular
n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 100·0,32/0,36 = 88,89 rpm
Respuesta
n2 = 88,89 rpm
15.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: Ft = 219,5 N
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.
Par en el piñón
ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 1500/151,8 = 9,879 N·m
Diámetro primitivo
d = m·N = 5·18 = 90 mm
Fuerza tangencial
Ft = 2T/d = 2·9,879/0,09 = 219,5 N
Respuesta
Ft = 219,5 N
16.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: θ = 168,5 °
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(0,1) = 5,739°
Ángulo de contacto
θ = 180 − 2·5,739 = 168,5°
Respuesta
θ = 168,5°
17.Muelles y péndulos
Respuesta: T = 2,765 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·√(1,9/9,81) = 2,765 s
Respuesta
T = 2,765 s
18.Muelles y péndulos
Respuesta: A = 9,331 cm
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.
Velocidad tras el impacto
V = m·v/(m + M) = 0,02·350/4,02 = 1,741 m/s
Frecuencia angular
ω = √(k/(m + M)) = √(1400/4,02) = 18,66 rad/s
Amplitud
A = V/ω = 1,741/18,66 = 0,09331 m = 9,331 cm
Respuesta
A = 9,331 cm
19.Vibraciones mecánicas
Respuesta: ζ = 0,2012
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.
Amortiguamiento crítico
cc = 2·√(k·m) = 2·√(40000·5) = 894,4 N·s/m
Factor de amortiguamiento
ζ = c/cc = 180/894,4 = 0,2012
Respuesta
ζ = 0,2012
ζ < 1, así que el sistema es subamortiguado y oscila mientras se amortigua.
20.Vibraciones mecánicas
Respuesta: fn = 3,446 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.