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)t = ?10

Un coche que circula a 36 km/h frena con una deceleración constante de 3,5 m/s² hasta detenerse. ¿Cuánto dura la frenada? Halla t.

v₀ = 36 km/ha = −3,5 m/s²v = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
a = 34 m/s²

Un cohete de modelismo se lanza verticalmente hacia arriba desde el reposo. Su motor le da una aceleración constante hacia arriba de 34 m/s² durante 1,5 s; después el motor se apaga y el cohete se mueve libremente. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la altura máxima hmax que alcanza el cohete.

a = 34 m/s²t1 = 1,5 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
cajav₀ = 5 m/sμ = ?

Una caja desliza por un suelo horizontal con una velocidad inicial de 5 m/s y se detiene tras 3,2 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla el coeficiente de rozamiento dinámico μ.

v₀ = 5 m/sd = 3,2 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 6,5 kg4 kgμ = 0,2

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 4 kg. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la mesa es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 6,5 kgm2 = 4 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 34 m/sθ = ?R = 55 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 34 m/s y debe caer a 55 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla el menor de los dos ángulos de lanzamiento posibles θ.

v₀ = 34 m/sR = 55 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 40 mv0​ = 24 m/s40°x = ?

Se lanza una pelota a 40° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 40 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 24 m/sθ = 40°h = 40 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 2,9 mn = ?

En un rotor de feria, los pasajeros se colocan contra la pared de un cilindro vertical de radio 2,9 m. Cuando gira lo bastante rápido, el suelo baja y el rozamiento los sostiene. El coeficiente de rozamiento estático es 0,5. Usa g = 9,81 m/s². Halla la frecuencia de giro mínima n en revoluciones por minuto.

r = 2,9 mμs = 0,5g = 9,81 m/s²
n = rpm
8.Movimiento circularDifícil
θ = 12°hacia el centrovmax​ = ?

Una curva de radio 130 m tiene un peralte de 12°, y el coeficiente de rozamiento estático entre neumáticos y carretera es 0,3. 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 = 130 mθ = 12°μs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
60 km/h

Un coche que circula a 60 km/h por una carretera horizontal frena bruscamente y derrapa hasta detenerse con las ruedas bloqueadas. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,7. Halla la distancia de frenado d.

v = 60 km/hμ = 0,7g = 9,81 m/s²
d = m
10.Trabajo y energíaDifícil
k = 3000 N/m30°μ = 0,253 kg

Un muelle de rigidez 3000 N/m situado al pie de una pendiente de 30° se comprime 20 cm contra un bloque de 3 kg y se suelta. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la pendiente es 0,25. ¿Qué distancia d recorre el bloque pendiente arriba desde el punto de suelta hasta detenerse? (Desprecia el corto tramo en el que empuja el muelle, es decir, aplica el rozamiento y la gravedad a toda la distancia d.)

m = 3 kgk = 3000 N/mx = 20 cmθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
3,5 kg6 m/s2,5 kg

Un deslizador de 3,5 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 = 3,5 kgm2 = 2,5 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1500 kg24 m/s800 kg17 m/sv′ = ?

En un cruce, un coche de 1500 kg que circula hacia el este a 24 m/s choca con un coche de 800 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 = 1500 kgv1 = 24 m/s (E)m2 = 800 kgv2 = 17 m/s (N)
v′ = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
3,5 kgaαM = 10 kgR = 0,1 m

Un bloque de 3,5 kg cuelga de una cuerda ligera enrollada en una polea, un disco macizo uniforme de masa 10 kg y radio 0,1 m que gira sobre un eje horizontal sin rozamiento. El bloque se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque.

m = 3,5 kgM = 10 kgR = 0,1 mg = 9,81 m/s²
a = m/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
2,5 m/sω

Un cuerpo (aro delgado) de masa 13,5 kg rueda sin deslizar a 2,5 m/s. ¿Qué porcentaje p de su energía cinética total es de rotación?

m = 13,5 kgv = 2,5 m/sI = m·r²
p = %
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 12N2​ = 25

Un motor de 2,2 kW que gira a 1500 rpm acciona un piñón de 12 dientes, que engrana con una rueda de 25 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 96 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 2,2 kWn1 = 1500 rpmN1 = 12N2 = 25η = 96%
T1 = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 250 mm720 rpmC = 800 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 160 mm a 720 rpm con una polea de 250 mm; los centros están separados 800 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 = 160 mmn1 = 720 rpmd2 = 250 mmC = 800 mmμ = 0,3T1 = 2000 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
L = 0,5 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 0,5 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 0,5 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
1,9 kgk = 50 N/m

Una masa de 1,9 kg se une al extremo inferior de un muelle vertical sin estirar con k = 50 N/m y se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla el alargamiento máximo xmax del muelle en cm.

m = 1,9 kgk = 50 N/mg = 9,81 m/s²
xmax = cm
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx30 mm2 ciclos23,3 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 23,3 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 30 mmx2 = 23,3 mmn = 2
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 15k3​ = 5m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga del muelle k₃ = 5 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 50 kN/m y k₂ = 15 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 = 10 kgk1 = 50 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: t = 2,857 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.

Unidades

v₀ = 36/3,6 = 10 m/s

Tiempo de frenado

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 10/3,5 = 2,857 s

Respuesta

t = 2,857 s
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 170,8 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 = 34·1,5 = 51 m/s
h₁ = ½·34·1,5² = 38,25 m

Vuelo libre hacia arriba

En el punto más alto la velocidad es nula.

Δh = v₁²/(2g) = 51²/(2·9,81) = 132,6 m
hmax = 38,25 + 132,6 = 170,8 m

Respuesta

hmax = 170,8 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: μ = 0,3982

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.

Deceleración

a = v₀²/(2d) = 5²/(2·3,2) = 3,906 m/s²

Coeficiente de rozamiento

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 3,906/9,81 = 0,3982

Respuesta

μ = 0,3982
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 29,15 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) = (39,24 − 12,75)/10,5 = 2,523 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 6,5·2,523 + 12,75 = 29,15 N

Respuesta

T = 29,15 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: θ = 13,91 °

Tiro parabólico: sin resistencia del aire, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². Las dos direcciones son independientes, salvo que comparten el mismo tiempo.

Fórmula del alcance

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·55/34² = 0,4667

Ángulo

2θ = 27,82° → θ = 13,91°

Respuesta

θ = 13,91°

La otra solución es 90° − θ = 76,09°.

6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 88,85 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

Tiempo de vuelo

Resuelve y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 y toma la raíz positiva.

0 = 40 + 15,43·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15,43 + √(238 + 784,8))/9,81 = 4,833 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 18,39·4,833 = 88,85 m

Respuesta

x = 88,85 m
7.Movimiento circular

Respuesta: n = 24,84 rpm

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 sobre un pasajero

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

Velocidad angular

ω = √(g/(μ·r)) = √(9,81/(0,5·2,9)) = 2,601 rad/s

Frecuencia de giro

n = ω·60/(2π) = 24,84 rpm

Respuesta

n = 24,84 rpm
8.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 26,42 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 = √(130·9,81·0,5014/0,9158) = 26,42 m/s

Respuesta

vmax = 26,42 m/s
(95,12 km/h)
9.Trabajo y energía

Respuesta: d = 20,23 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).

Velocidad en unidades básicas

v = 60/3,6 = 16,67 m/s

Balance de energía

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 16,67²/(2·0,7·9,81) = 20,23 m

Respuesta

d = 20,23 m

Duplicar la velocidad cuadruplica la distancia de frenado.

10.Trabajo y energía

Respuesta: d = 2,845 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 = 20 cm = 0,2 m
½kx² = ½·3000·0,2² = 60 J

Balance de energía a lo largo de la rampa

m·g = 3·9,81 = 29,43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 60/(29,43·(0,5 + 0,25·0,866)) = 2,845 m

Respuesta

d = 2,845 m
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = 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 = (3,5 − 2,5)/(3,5 + 2,5)·6 = 1 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 2,5)·6 = 7 m/s

Respuesta

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

Respuesta: v′ = 16,73 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 = 1500·24 = 36000 kg·m/s
py = 800·17 = 13600 kg·m/s

Velocidad de los restos

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 38483/2300 = 16,73 m/s

Respuesta

v′ = 16,73 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: a = 4,039 m/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.

Bloque y polea

bloque: m·g − T = m·a
polea: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Aceleración

a = m·g/(m + M/2) = 3,5·9,81/(3,5 + 5) = 4,039 m/s²

Respuesta

a = 4,039 m/s²
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: p = 50 %

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.

Partes de traslación y de rotación

Etrans = ½·m·v² = ½·13,5·2,5² = 42,19 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·42,19 = 42,19 J

Proporción de rotación

p = 42,19/84,38·100% = c/(1 + c)·100% = 50%

Respuesta

p = 50 %

La proporción depende solo de la forma, no de la masa ni de la velocidad.

15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 14,01 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/157,1 = 14,01 N·m

Respuesta

T1 = 14,01 N·m
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 7,202 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 = 3,029 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,9087 = 2,481, T₂ = 2000/2,481 = 806,1 N

Potencia

P = (2000 − 806,1)·6,032 = 7,202 kW

Respuesta

P = 7,202 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 1,419 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·√(0,5/9,81) = 1,419 s

Respuesta

T = 1,419 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: xmax = 74,56 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.

Equilibrio y amplitud

x₀ = m·g/k = 1,9·9,81/50 = 0,3728 m = A

Punto más bajo

xmax = 2A = 0,7456 m = 74,56 cm

Respuesta

xmax = 74,56 cm
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,02011

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(30/23,3) = 0,1264

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1264/√(39,48 + 0,01597) = 0,02011

Respuesta

ζ = 0,02011
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 3,429 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 = 50 + 15 = 65 kN/m
keq = 65·5/(65 + 5) = 4,643 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(4643/10) = 21,55 rad/s
fn = 21,55/(2π) = 3,429 Hz

Respuesta

fn = 3,429 Hz

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