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)2,5 s20

Un coche que circula a 72 km/h frena con una deceleración constante de 8 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 72 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 11 m/s25 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 11 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. Halla la altura máxima hmax sobre el suelo.

v₀ = 11 m/sh₀ = 25 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 25°a = ?m = 2 kg

Un bloque de 2 kg baja deslizando por una rampa inclinada 25° 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 = 2 kgθ = 25°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
θ = 20°bloquev₀ = 10,5 m/s

Se da un empujón a un bloque de modo que empieza a subir por una rampa de 20° con una velocidad de 10,5 m/s. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué distancia d recorre por la rampa antes de detenerse?

v₀ = 10,5 m/sθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = ?35°R = 100 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 35° por encima de la horizontal y cae a 100 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad de lanzamiento v0.

θ = 35°R = 100 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 50 mv0​ = 10 m/s65°H = ?

Se lanza una pelota a 10 m/s y 65° por encima de la horizontal desde lo alto de un acantilado de 50 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la altura máxima H sobre el suelo al pie del acantilado.

v₀ = 10 m/sθ = 65°h = 50 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Movimiento circularMedia
r = 90 m12 m/s

Un coche de 800 kg pasa por la cima de un cambio de rasante a 12 m/s. La cima es un arco de circunferencia de radio 90 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza normal N de la carretera sobre el coche en la cima.

m = 800 kgv = 12 m/sr = 90 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Movimiento circularDifícil
r = 1,1 mv = ?

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola atada a una cuerda de 1,1 m. Usa g = 9,81 m/s². ¿Cuál es la velocidad mínima vmin en el punto más alto para que la cuerda siga justo tensa?

r = 1,1 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
45°d = 5 mμ = 0,25

Un bloque de 4 kg desliza 5 m por una rampa inclinada 45° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,25. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 4 kgθ = 45°μ = 0,25d = 5 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
F = 35 N35°μ = 0,252 kg

Un bloque de 2 kg parte del reposo al pie de una pendiente de 35° y se tira de él pendiente arriba con una fuerza constante de 35 N paralela a la pendiente. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25. Halla la velocidad v del bloque tras recorrer 9 m pendiente arriba.

m = 2 kgF = 35 Nθ = 35°μ = 0,25d = 9 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
3 kg79 m/s2 kgv′2​ = ?

Un proyectil de 5 kg que se mueve horizontalmente a 25 m/s explota en dos fragmentos que se mueven a lo largo de la misma recta. El fragmento de 3 kg sigue hacia delante a 79 m/s. Halla la velocidad v′2 del fragmento de 2 kg (positiva en el sentido original).

M = 5 kgu = 25 m/sm1 = 3 kgv′1 = 79 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1 kgv = ?8 g25°L = 0,6 m

Una bala de 8 g se dispara horizontalmente contra un bloque de 1 kg que cuelga de hilos ligeros de 0,6 m de longitud, y se queda incrustada en él. Los hilos oscilan hasta un ángulo máximo de 25° con la vertical. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 8 gM = 1 kgL = 0,6 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
0 → 1100 rpmI = 16,5 kg·m²

Un motor lleva un volante de inercia con un momento de inercia de 16,5 kg·m² desde el reposo hasta 1100 rpm en 45 s. Sin tener en cuenta las pérdidas, halla la potencia media Pavg que entrega, en kW.

I = 16,5 kg·m²n = 1100 rpmt = 45 s
Pavg = kW
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
0,7 m0,3 mn1​ = 45 rpm

Una persona está de pie sobre un plato giratorio sin rozamiento y sostiene una pesa de 1,5 kg en cada mano, a 0,7 m del eje. La persona y el plato solos tienen un momento de inercia de 3 kg·m² respecto al eje. Giran a 45 rpm y luego acercan las pesas hasta 0,3 m del eje. Trata las pesas como masas puntuales. Halla la nueva velocidad n2 en rpm.

I0 = 3 kg·m²m = 2 × 1,5 kgr1 = 0,7 mr2 = 0,3 mn1 = 45 rpm
n2 = rpm
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = ?N2​

Dos ejes paralelos están a 300 mm de distancia. Deben unirse mediante un par de ruedas dentadas rectas de módulo 5 mm y una reducción de velocidad de 5 : 1. ¿Cuántos dientes N1 debe tener el piñón?

a = 300 mmm = 5 mmi = 5
N1 =
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 400 mm720 rpmC = 1000 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 80 mm a 720 rpm con una polea de 400 mm; los centros están separados 1000 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 = 80 mmn1 = 720 rpmd2 = 400 mmC = 1000 mmμ = 0,3T1 = 600 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
L = 0,5 mT = 3,49 s

Una astronauta en otro planeta comprueba que un péndulo simple de 0,5 m de longitud tiene un periodo de 3,49 s para oscilaciones pequeñas. Halla la aceleración de la gravedad g en ese planeta.

L = 0,5 mT = 3,49 s
g = m/s²
18.Muelles y péndulosDifícil
2,4 kgk = 180 N/mA = 10 cm

Una masa de 2,4 kg unida a un muelle con k = 180 N/m se separa 10 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.

m = 2,4 kgk = 180 N/mA = 10 cm
E = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx10 mm4 ciclos6 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 10 mm le sigue 4 ciclos después un pico de 6 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 10 mmx4 = 6 mmn = 4
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 15k3​ = 40m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga del muelle k₃ = 40 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 40 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 = 40 kgk1 = 40 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 25 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 = 72/3,6 = 20 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·8) = 25 m

Respuesta

s = 25 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 31,17 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 = 11²/(2·9,81) = 6,167 m

Altura sobre el suelo

hmax = 25 + 6,167 = 31,17 m

Respuesta

hmax = 31,17 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 2,368 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 25° − 0,2·cos 25°) = 9,81·(0,4226 − 0,1813) = 2,368 m/s²

Respuesta

a = 2,368 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: d = 9,74 m

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

Ambas fuerzas apuntan rampa abajo; la masa se simplifica.

a = 9,81·(sin 20° + 0,25·cos 20°) = 5,66 m/s²

Distancia

d = v₀²/(2a) = 10,5²/(2·5,66) = 9,74 m

Respuesta

d = 9,74 m
5.Tiro parabólico

Respuesta: v0 = 32,31 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) = √(9,81·100/sin 70°) = 32,31 m/s

Respuesta

v0 = 32,31 m/s
6.Tiro parabólico

Respuesta: H = 54,19 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.

Velocidad vertical de lanzamiento

vy = 10·sin 65° = 9,063 m/s

Subida por encima del acantilado

Δh = vy²/(2g) = 9,063²/(2·9,81) = 4,187 m

Altura sobre el suelo

H = 50 + 4,187 = 54,19 m

Respuesta

H = 54,19 m
7.Movimiento circular

Respuesta: N = 6568 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 = 800·9,81 − 800·12²/90 = 7848 − 1280 = 6568 N

Respuesta

N = 6568 N

El coche parece más ligero: la carretera empuja hacia arriba menos que su peso.

8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 3,285 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.

Tensión nula en el punto más alto

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·1,1) = 3,285 m/s

Respuesta

vmin = 3,285 m/s
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 34,68 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 = 39,24·0,7071 = 27,75 N
F = μN = 0,25·27,75 = 6,937 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 6,937·5 = 34,68 J

Respuesta

Wf = 34,68 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 13,33 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 = 2·9,81 = 19,62 N
mg·sin θ = 11,25 N
μ·mg·cos θ = 4,018 N

Trabajo y energía

½mv² = (35 − 15,27)·9 = 177,6 J
v = √(2·177,6/2) = 13,33 m/s

Respuesta

v = 13,33 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = −56 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 = 5·25 = 125 kg·m/s

Cantidad de movimiento después

125 = 3·79 + 2·v′2
v′2 = (125 − 237)/2 = −56 m/s

Respuesta

v′2 = −56 m/s

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 132,3 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.

Subida del bloque

h = L·(1 − cos θ) = 0,6·(1 − cos 25°) = 0,05622 m

Velocidad tras el impacto

V = √(2·9,81·0,05622) = 1,05 m/s

Choque

v = (m + M)·V/m = 1,008·1,05/0,008 = 132,3 m/s

Respuesta

v = 132,3 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: Pavg = 2,433 kW

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·1100/60 = 115,2 rad/s

Energía

E = ½·I·ω² = ½·16,5·115,2² = 109470 J

Potencia media

Pavg = E/t = 109470/45 = 2433 W = 2,433 kW

Respuesta

Pavg = 2,433 kW
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: n2 = 61,51 rpm

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 = 3 + 2·1,5·0,7² = 4,47 kg·m²
I2 = 3 + 2·1,5·0,3² = 3,27 kg·m²

Conservación del momento angular

n2 = n1·I1/I2 = 45·4,47/3,27 = 61,51 rpm

Respuesta

n2 = 61,51 rpm

La energía cinética aumenta: la energía extra procede del trabajo que realiza la persona al acercar las pesas.

15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: N1 = 20

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.

Número total de dientes

N1 + N2 = 2a/m = 2·300/5 = 120

Reparte según la relación

N1 = 120/(1 + 5) = 20

Respuesta

N1 = 20
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 1,033 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 = 2,82 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,8461 = 2,33, T₂ = 600/2,33 = 257,5 N

Potencia

P = (600 − 257,5)·3,016 = 1,033 kW

Respuesta

P = 1,033 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: g = 1,621 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.

Despeja g

g = 4π²·L/T² = 4π²·0,5/3,49² = 1,621 m/s²

Respuesta

g = 1,621 m/s²
18.Muelles y péndulos

Respuesta: E = 0,9 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.

Frecuencia angular

ω = √(180/2,4) = 8,66 rad/s

Energía

E = ½·k·A² = ½·180·0,1² = 0,9 J

Respuesta

E = 0,9 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,02032

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 = (1/4)·ln(10/6) = 0,1277

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1277/√(39,48 + 0,01631) = 0,02032

Respuesta

ζ = 0,02032
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 3,829 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 = 40 + 15 = 55 kN/m
keq = 55·40/(55 + 40) = 23,16 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(23158/40) = 24,06 rad/s
fn = 24,06/(2π) = 3,829 Hz

Respuesta

fn = 3,829 Hz

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