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)1,667 s12,5

Un coche que circula a 45 km/h frena con una deceleración constante de 7,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 45 km/ha = −7,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 14 m/s40 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 14 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 = 14 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 35°30 kgF = ?

Se empuja una caja de 30 kg rampa arriba, con una inclinación de 35° respecto a la horizontal, a velocidad constante, mediante una fuerza paralela a la rampa. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza de empuje F.

m = 30 kgθ = 35°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
F = N
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 2,5 kg6 kgsin rozamiento

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 6 kg. La mesa no tiene rozamiento. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.

m1 = 2,5 kgm2 = 6 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 22 m/s30°x = ?

Se lanza una pelota a 30° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 22 m/sθ = 30°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Tiro parabólicoDifícil
16 mv0​ = 38 m/s50°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 38 m/s y 50° 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 = 38 m/sθ = 50°hroof = 16 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
θ = ?hacia el centro80 km/h

Un ingeniero de carreteras quiere que los coches tomen una curva de radio 230 m a 80 km/h sin depender del rozamiento. Usa g = 9,81 m/s². Halla el ángulo de peralte θ.

r = 230 mv = 80 km/hg = 9,81 m/s²
θ = °
8.Movimiento circularDifícil
r = 1 mv = 3 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 0,7 kg atada a una cuerda de 1 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 = 0,7 kgr = 1 mv = 3 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
0,25 kgk = 1500 N/mh = ?

Un lanzador de juguete tiene un muelle vertical de rigidez 1500 N/m. Se coloca encima una bola de 0,25 kg, se comprime el muelle 5 cm y se suelta. Despreciando la resistencia del aire y la masa del muelle, halla la altura h que sube la bola, medida desde su posición con el muelle comprimido.

m = 0,25 kgk = 1500 N/mx = 5 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Trabajo y energíaDifícil
F = 25 N15°μ = 0,15 kg

Un bloque de 5 kg parte del reposo al pie de una pendiente de 15° y se tira de él pendiente arriba con una fuerza constante de 25 N paralela a la pendiente. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1. Halla la velocidad v del bloque tras recorrer 4 m pendiente arriba.

m = 5 kgF = 25 Nθ = 15°μ = 0,1d = 4 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
7 kg67 m/s2 kgv′2​ = ?

Un proyectil de 9 kg que se mueve horizontalmente a 35 m/s explota en dos fragmentos que se mueven a lo largo de la misma recta. El fragmento de 7 kg sigue hacia delante a 67 m/s. Halla la velocidad v′2 del fragmento de 2 kg (positiva en el sentido original).

M = 9 kgu = 35 m/sm1 = 7 kgv′1 = 67 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
24 m/s5 m/s

Una pelota de 0,25 kg golpea una pared a 24 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 5 m/s. El contacto dura 5 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,25 kgvin = 24 m/svout = 5 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 1,4 mm = 3,5 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 3,5 kg y longitud 1,4 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 = 3,5 kgL = 1,4 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 25°vs = 3 m

Un cuerpo (cilindro macizo) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 25° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Su radio es 0,1 m. Halla su velocidad angular ω después de haber rodado 3 m a lo largo de la pendiente.

θ = 25°s = 3 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,1 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 160 mmd2​ = 400 mm2880 rpmn2​ = ?

Una polea de 160 mm a 2880 rpm acciona una polea de 400 mm mediante una correa con un 4 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 2880 rpmd1 = 160 mmd2 = 400 mms = 4 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 250 mm960 rpmC = 600 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 160 mm y una polea de 250 mm cuyos centros están separados 600 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 160 mmd2 = 250 mmC = 600 mm
θ = °
17.Muelles y péndulosMedia
t (s)x (cm)1,25 s

Una masa de 1,3 kg unida a un muelle con k = 90 N/m se desplaza 14 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su desplazamiento x respecto al equilibrio en t = 1,25 s (con signo).

m = 1,3 kgk = 90 N/mA = 14 cmt = 1,25 s
x = cm
18.Muelles y péndulosDifícil
3,9 kgk = 250 N/mA = 14 cm

Una masa de 3,9 kg unida a un muelle con k = 250 N/m se separa 14 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.

m = 3,9 kgk = 250 N/mA = 14 cm
amax = m/s²
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 12 kN/mζ = 0,7m = 5 kg

Una masa de 5 kg sobre un muelle con una rigidez de 12 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,7. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 5 kgk = 12 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 30m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 100 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 = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 10,42 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/(2·7,5) = 10,42 m

Respuesta

s = 10,42 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 49,99 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 = 14²/(2·9,81) = 9,99 m

Altura sobre el suelo

hmax = 40 + 9,99 = 49,99 m

Respuesta

hmax = 49,99 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: F = 229,1 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 de la rampa

Velocidad constante: las fuerzas se equilibran.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Fuerza de empuje

F = 168,8 + 60,27 = 229,1 N

Respuesta

F = 229,1 N
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 6,925 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 del sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (58,86 − 0)/8,5 = 6,925 m/s²

Respuesta

a = 6,925 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: x = 42,73 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 = 22·cos 30° = 19,05 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 30° = 11 m/s

Tiempo de vuelo

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

t = 2·11/9,81 = 2,243 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 19,05·2,243 = 42,73 m

Respuesta

x = 42,73 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 130 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 = 24,43 m/s, vy = 29,11 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

16 = 29,11·t − 4,905·t²
t = (29,11 + √(29,11² − 2·9,81·16))/9,81 = 5,322 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 24,43·5,322 = 130 m

Respuesta

x = 130 m
7.Movimiento circular

Respuesta: θ = 12,35 °

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.

Unidades

v = 80/3,6 = 22,22 m/s

Ángulo de peralte

tan θ = v²/(r·g) = 22,22²/(230·9,81) = 0,2189
θ = 12,35°

Respuesta

θ = 12,35°
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 13,17 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 = 0,7·9,81 + 0,7·3²/1 = 6,867 + 6,3 = 13,17 N

Respuesta

T = 13,17 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: h = 0,7645 m

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 del muelle

x = 5 cm = 0,05 m
½kx² = ½·1500·0,05² = 1,875 J

Altura

m·g = 0,25·9,81 = 2,453 N
h = ½kx²/(mg) = 1,875/2,453 = 0,7645 m

Respuesta

h = 0,7645 m
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 3,48 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).

Fuerzas a lo largo de la rampa

m·g = 5·9,81 = 49,05 N
mg·sin θ = 12,7 N
μ·mg·cos θ = 4,738 N

Trabajo y energía

½mv² = (25 − 17,43)·4 = 30,27 J
v = √(2·30,27/5) = 3,48 m/s

Respuesta

v = 3,48 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = −77 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 = 9·35 = 315 kg·m/s

Cantidad de movimiento después

315 = 7·67 + 2·v′2
v′2 = (315 − 469)/2 = −77 m/s

Respuesta

v′2 = −77 m/s

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 1450 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 = 0,25·(5 + 24) = 7,25 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 7,25/0,005 = 1450 N

Respuesta

Favg = 1450 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: α = 10,51 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.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·1,4) = 10,51 rad/s²

Respuesta

α = 10,51 rad/s²
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 40,72 rad/s

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.

Altura descendida

h = s·sin θ = 3·sin 25° = 1,268 m

Balance de energía con rodadura

Rodadura sin deslizamiento: ω = v/r, y el rozamiento no realiza trabajo en el punto de contacto.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0,5)
v = √(2·9,81·1,268/1,5) = 4,072 m/s
ω = v/r = 4,072/0,1 = 40,72 rad/s

Respuesta

ω = 40,72 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 1106 rpm

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 sin deslizamiento

2880·160/400 = 1152 rpm

Con deslizamiento

n2 = 1152·0,96 = 1106 rpm

Respuesta

n2 = 1106 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 171,4 °

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(0,075) = 4,301°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·4,301 = 171,4°

Respuesta

θ = 171,4°
17.Muelles y péndulos

Respuesta: x = −7,846 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.

Frecuencia angular

ω = √(90/1,3) = 8,321 rad/s
ω·t = 8,321·1,25 = 10,4 rad

Desplazamiento

x = A·cos(ω·t) = 14·cos(10,4) = −7,846 cm

Respuesta

x = −7,846 cm
18.Muelles y péndulos

Respuesta: amax = 8,974 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 = √(250/3,9) = 8,006 rad/s

Aceleración máxima

amax = A·ω² = 0,14·8,006² = 8,974 m/s²

Respuesta

amax = 8,974 m/s²
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 5,568 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 = √(12000/5) = 48,99 rad/s
fn = 48,99/(2π) = 7,797 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7,797·√(1 − 0,7²) = 5,568 Hz

Respuesta

fd = 5,568 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 5,406 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 = 1/100 + 1/30 → keq = 100·30/(100 + 30) = 23,08 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(23077/20) = 33,97 rad/s
fn = 33,97/(2π) = 5,406 Hz

Respuesta

fn = 5,406 Hz

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