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)4,938 s22,22

Un coche que circula a 80 km/h frena con una deceleración constante de 4,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 80 km/ha = −4,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 12 m/s5 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 12 m/s desde el borde de un tejado situado a 5 m sobre el suelo. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿Cuánto tiempo después del lanzamiento llega al suelo? Halla t.

v₀ = 12 m/sh₀ = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
cajav₀ = 8,5 m/sμ = ?

Una caja desliza por un suelo horizontal con una velocidad inicial de 8,5 m/s y se detiene tras 25 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla el coeficiente de rozamiento dinámico μ.

v₀ = 8,5 m/sd = 25 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 3 kg4 kgθ = 40°

Un bloque de 3 kg sobre una rampa de 40° está unido mediante un hilo ligero, que pasa por una polea sin rozamiento en lo alto de la rampa, a una masa colgante de 4 kg. La masa colgante baja. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la rampa es 0,2. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.

m1 = 3 kgm2 = 4 kgθ = 40°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = ?15°R = 45 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 15° por encima de la horizontal y cae a 45 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad de lanzamiento v0.

θ = 15°R = 45 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 20 mv0​ = 24 m/s25°alcance

Se lanza una pelota a 25° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 20 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 24 m/sθ = 25°h = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimiento circularMedia
r = 140 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 140 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,5. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 140 mμs = 0,5g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,6 mv = 4 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 0,4 kg atada a una cuerda de 0,6 m. En el punto más bajo se mueve a 4 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 0,4 kgr = 0,6 mv = 4 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 8 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 = 8 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 3 mL = 3,5 mμ = 0,25k = 1000 N/m

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 3,5 m (μ = 0,25) y después choca contra un muelle (k = 1000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la velocidad v del bloque cuando llega al muelle.

m = 5 kgh = 3 mL = 3,5 mμ = 0,25k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
0,5 kg11 m/s5 kg

Un deslizador de 0,5 kg que se mueve a 11 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 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 = 0,5 kgm2 = 5 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1,5 kgv = ?8 g20°L = 1 m

Una bala de 8 g se dispara horizontalmente contra un bloque de 1,5 kg que cuelga de hilos ligeros de 1 m de longitud, y se queda incrustada en él. Los hilos oscilan hasta un ángulo máximo de 20° con la vertical. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 8 gM = 1,5 kgL = 1 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
3 kgaαM = 5,5 kgR = 0,4 m

Un bloque de 3 kg cuelga de una cuerda ligera enrollada en una polea, un disco macizo uniforme de masa 5,5 kg y radio 0,4 m que gira sobre un eje horizontal sin rozamiento. El bloque se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v del bloque después de caer 0,5 m.

m = 3 kgM = 5,5 kgR = 0,4 mg = 9,81 m/s²h = 0,5 m
v = m/s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 30°as = 9 m

Un cuerpo (aro delgado) rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 30° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Parte del reposo. ¿Cuánto tiempo t tarda en rodar 9 m por la pendiente?

θ = 30°I = m·r²g = 9,81 m/s²s = 9 m
t = s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 36N2​ = 72

Un motor de 4 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 36 dientes, que engrana con una rueda de 72 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 4 kWn1 = 1450 rpmN1 = 36N2 = 72η = 95%
T1 = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 450 mm1450 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
L = 1,2 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 1,2 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 1,2 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
0,3 kgk = 270 N/mA = 13 cm

Una masa de 0,3 kg unida a un muelle con k = 270 N/m se separa 13 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.

m = 0,3 kgk = 270 N/mA = 13 cm
E = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx10 mm5 ciclos5,3 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 10 mm le sigue 5 ciclos después un pico de 5,3 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 10 mmx5 = 5,3 mmn = 5
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 30m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 10 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 = 25 kgk1 = 10 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 54,87 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 = 80/3,6 = 22,22 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22,22²/(2·4,5) = 54,87 m

Respuesta

s = 54,87 m
2.Cinemática

Respuesta: t = 2,809 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.

Ecuación del movimiento

Hacia arriba es positivo y el suelo está h₀ por debajo del punto de partida.

−5 = 12·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 12·t − 5 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (12 + √(12² + 2·9,81·5))/9,81 = 2,809 s

Respuesta

t = 2,809 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: μ = 0,1473

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) = 8,5²/(2·25) = 1,445 m/s²

Coeficiente de rozamiento

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,445/9,81 = 0,1473

Respuesta

μ = 0,1473
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 2,259 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 = 39,24 N
m₁·g·sin θ = 18,92 N
μ·m₁·g·cos θ = 4,509 N

Aceleración del sistema

a = (39,24 − 18,92 − 4,509)/7 = 2,259 m/s²

Respuesta

a = 2,259 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: v0 = 29,71 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) = √(9,81·45/sin 30°) = 29,71 m/s

Respuesta

v0 = 29,71 m/s
6.Tiro parabólico

Respuesta: t = 3,303 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.

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 25° = 21,75 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 25° = 10,14 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 20 + 10,14·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10,14 + √(102,9 + 392,4))/9,81 = 3,303 s

Respuesta

t = 3,303 s
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 26,2 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) = √(0,5·9,81·140) = 26,2 m/s

Respuesta

vmax = 26,2 m/s (94,34 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 14,59 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 = 0,4·9,81 + 0,4·4²/0,6 = 3,924 + 10,67 = 14,59 N

Respuesta

T = 14,59 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: h = 1,957 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 = 8 cm = 0,08 m
½kx² = ½·1500·0,08² = 4,8 J

Altura

m·g = 0,25·9,81 = 2,453 N
h = ½kx²/(mg) = 4,8/2,453 = 1,957 m

Respuesta

h = 1,957 m
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 6,457 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).

Energía tras la franja rugosa

La rampa es lisa, así que solo la franja quita energía.

mgh − μmgL = 49,05·(3 − 0,25·3,5) = 104,2 J

Velocidad al llegar al muelle

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·2,125) = 6,457 m/s

Respuesta

v = 6,457 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = −9 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 − 5)/(0,5 + 5)·11 = −9 m/s
v′2 = 2·0,5/(0,5 + 5)·11 = 2 m/s

Respuesta

v′1 = −9 m/s

El signo menos significa que el primer deslizador rebota hacia atrás.

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 205 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) = 1·(1 − cos 20°) = 0,06031 m

Velocidad tras el impacto

V = √(2·9,81·0,06031) = 1,088 m/s

Choque

v = (m + M)·V/m = 1,508·1,088/0,008 = 205 m/s

Respuesta

v = 205 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 2,262 m/s

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) = 3·9,81/(3 + 2,75) = 5,118 m/s²

Velocidad tras la caída

v = √(2·a·h) = √(2·5,118·0,5) = 2,262 m/s

Respuesta

v = 2,262 m/s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: t = 2,709 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.

Ecuaciones del movimiento

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

Aceleración

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 30°/2 = 2,452 m/s²

Tiempo

s = ½·a·t² → t = √(2·9/2,452) = 2,709 s

Respuesta

t = 2,709 s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 26,34 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/151,8 = 26,34 N·m

Respuesta

T1 = 26,34 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: T = 2,198 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·√(1,2/9,81) = 2,198 s

Respuesta

T = 2,198 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: E = 2,282 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 = √(270/0,3) = 30 rad/s

Energía

E = ½·k·A² = ½·270·0,13² = 2,282 J

Respuesta

E = 2,282 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,0202

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 = (1/5)·ln(10/5,3) = 0,127

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,127/√(39,48 + 0,01612) = 0,0202

Respuesta

ζ = 0,0202
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,757 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 = 1/10 + 1/30 → keq = 10·30/(10 + 30) = 7,5 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(7500/25) = 17,32 rad/s
fn = 17,32/(2π) = 2,757 Hz

Respuesta

fn = 2,757 Hz

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