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
policíaa = 5,5 m/s²coche34 m/s

Un coche que circula a 34 m/s constantes, por encima del límite, adelanta a un coche de policía parado. En ese momento el coche de policía arranca y acelera uniformemente a 5,5 m/s². ¿A qué distancia de su punto de partida lo alcanza el coche de policía? Halla d.

vcar = 34 m/sapolice = 5,5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 7 m/s5 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 7 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. Halla la altura máxima hmax sobre el suelo.

v₀ = 7 m/sh₀ = 5 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 30°a = ?m = 17 kg

Un bloque de 17 kg baja deslizando por una rampa inclinada 30° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,15. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 17 kgθ = 30°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
12 kg10 kgTF = 75 Nμ = 0,1

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 75 N tira del bloque delantero de 10 kg; el bloque de 12 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T del hilo de unión.

m1 = 12 kgm2 = 10 kgF = 75 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = ?70°R = 115 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 70° por encima de la horizontal y cae a 115 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad de lanzamiento v0.

θ = 70°R = 115 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 50 mv0​ = 15 m/s30°α = ?

Se lanza una pelota a 15 m/s y 30° 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. ¿Con qué ángulo α por debajo de la horizontal llega al suelo?

v₀ = 15 m/sθ = 30°h = 50 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Movimiento circularMedia
θ = 5°hacia el centrov = ?

Una curva de radio 360 m tiene un peralte de 5°. ¿A qué velocidad v puede tomarla un coche sin necesitar ningún rozamiento? Usa g = 9,81 m/s².

r = 360 mθ = 5°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 1,5 mv = 4,5 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 1,5 kg atada a una cuerda de 1,5 m. En el punto más bajo se mueve a 4,5 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 1,5 kgr = 1,5 mv = 4,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
20°L = 0,5 m0,5 kg

Una bola de 0,5 kg cuelga de un hilo ligero de longitud 0,5 m. Se separa hasta que el hilo forma 20° con la vertical y se suelta desde el reposo. Halla la tensión T del hilo cuando la bola pasa por el punto más bajo.

m = 0,5 kgL = 0,5 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 4,5 mL = 1,5 mμ = 0,25k = 2500 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 5 kg a una altura de 4,5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 1,5 m (μ = 0,25) y después choca contra un muelle (k = 2500 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la velocidad v del bloque cuando llega al muelle.

m = 5 kgh = 4,5 mL = 1,5 mμ = 0,25k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
900 kg10 m/s1200 kg

Un coche de 900 kg que se mueve a 10 m/s choca con un coche parado de 1200 kg y ambos quedan unidos. ¿Cuánta energía cinética ΔK se pierde en el choque?

m1 = 900 kgv1 = 10 m/sm2 = 1200 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1900 kgv1​ = ?1000 kg

Un coche de 1900 kg choca con un coche aparcado de 1000 kg. Los restos quedan unidos y derrapan 5,5 m antes de detenerse. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,8. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v1 del primer coche justo antes del choque.

m1 = 1900 kgm2 = 1000 kgd = 5,5 mμ = 0,8g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
ω = ?3 kgL = 1,9 mm = 3 kg

Una barra esbelta uniforme de masa 3 kg y longitud 1,9 m está articulada por un extremo y se suelta desde el reposo en posición horizontal. Una pequeña bola de masa 3 kg está fijada a su extremo libre. Ignora el rozamiento y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad angular ω de la barra cuando pasa por la posición vertical.

m = 3 kgL = 1,9 mmball = 3 kgg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 30°vs = 3 m

Un cuerpo (cilindro macizo) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 30° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Su radio es 0,3 m. Halla su velocidad angular ω después de haber rodado 3 m a lo largo de la pendiente.

θ = 30°s = 3 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,3 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 20N2​ = 45

Un motor de 4 kW que gira a 960 rpm acciona un piñón de 20 dientes, que engrana con una rueda de 45 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 4 kWn1 = 960 rpmN1 = 20N2 = 45η = 95%
T1 = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 315 mm1450 rpmC = 1200 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 80 mm a 1450 rpm con una polea de 315 mm; los centros están separados 1200 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,25 y la tensión del ramal tenso no puede superar 1500 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 80 mmn1 = 1450 rpmd2 = 315 mmC = 1200 mmμ = 0,25T1 = 1500 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
L = 0,2 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 0,2 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 0,2 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Muelles y péndulosDifícil
4 kgk = 600 N/m250 m/s

Una bala de 20 g que se mueve a 250 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 = 600 N/m. Halla la amplitud A de la oscilación resultante en cm.

m = 20 gv = 250 m/sM = 4 kgk = 600 N/m
A = cm
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 40 kN/mc = 1130 N·s/mm = 200 kg

Una masa de 200 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 40 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 1130 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 200 kgk = 40 kN/mc = 1130 N·s/m
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 50k3​ = 80m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga del muelle k₃ = 80 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 30 kN/m y k₂ = 50 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 = 25 kgk1 = 30 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 420,4 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.

Distancias iguales

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·34/5,5 = 12,36 s

Distancia

d = v·t = 34·12,36 = 420,4 m

Respuesta

d = 420,4 m

En ese momento el coche de policía va a 2v = 68 m/s.

2.Cinemática

Respuesta: hmax = 7,497 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 = 7²/(2·9,81) = 2,497 m

Altura sobre el suelo

hmax = 5 + 2,497 = 7,497 m

Respuesta

hmax = 7,497 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 3,631 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 30° − 0,15·cos 30°) = 9,81·(0,5 − 0,1299) = 3,631 m/s²

Respuesta

a = 3,631 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 40,91 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.

Sistema completo

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (75 − 21,58)/22 = 2,428 m/s²

Bloque trasero por separado

T = m1·(a + μ·g) = 12·(2,428 + 0,981) = 40,91 N

Respuesta

T = 40,91 N

Con el mismo μ en ambos bloques, el rozamiento desaparece: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Tiro parabólico

Respuesta: v0 = 41,89 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) = √(9,81·115/sin 140°) = 41,89 m/s

Respuesta

v0 = 41,89 m/s
6.Tiro parabólico

Respuesta: α = 68,03 °

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 = 15·cos 30° = 12,99 m/s
vy0 = 15·sin 30° = 7,5 m/s

Velocidad vertical en el impacto

Energía, o v² = v₀² + 2as en la dirección vertical.

vy = √(7,5² + 2·9,81·50) = 32,21 m/s

Ángulo de impacto

tan α = vy/vx = 32,21/12,99 → α = 68,03°

Respuesta

α = 68,03°
7.Movimiento circular

Respuesta: v = 17,58 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.

Equilibrio de fuerzas

N·cos θ = m·g, N·sin θ = m·v²/r → tan θ = v²/(r·g)

Rapidez

v = √(r·g·tan θ) = √(360·9,81·tan 5°) = 17,58 m/s

Respuesta

v = 17,58 m/s
(63,28 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 34,97 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 = 1,5·9,81 + 1,5·4,5²/1,5 = 14,71 + 20,25 = 34,97 N

Respuesta

T = 34,97 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: T = 5,497 N

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). En una trayectoria circular la fuerza neta hacia el centro debe ser igual a mv²/r.

Velocidad abajo

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·0,5·(1 − cos 20°) = 0,5916 m²/s²

Fuerzas abajo

m·g = 0,5·9,81 = 4,905 N
T = mg + mv²/L = 4,905 + 0,5·0,5916/0,5 = 5,497 N

Respuesta

T = 5,497 N

Comprobación: T = mg(3 − 2cos θ) = 5,497 N.

10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 8,996 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·(4,5 − 0,25·1,5) = 202,3 J

Velocidad al llegar al muelle

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·4,125) = 8,996 m/s

Respuesta

v = 8,996 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: ΔK = 25714 J

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.

Velocidad común

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 900·10/2100 = 4,286 m/s

Energía cinética antes y después

Kbefore = ½·900·10² = 45000 J
Kafter = ½·2100·4,286² = 19286 J

Energía perdida

ΔK = 45000 − 19286 = 25714 J

Respuesta

ΔK = 25714 J

La energía perdida se convierte en deformación, calor y sonido.

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v1 = 14,18 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.

Velocidad tras el choque

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0,8·9,81·5,5) = 9,291 m/s

Cantidad de movimiento en el choque

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2900·9,291/1900 = 14,18 m/s

Respuesta

v1 = 14,18 m/s
(51,05 km/h)
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 3,408 rad/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.

Pérdida de energía potencial

m·g·L/2 + mball·g·L = 3·9,81·0,95 + 3·9,81·1,9 = 83,88 J

Momento de inercia respecto al pasador

IO = m·L²/3 + mball·L² = 3,61 + 10,83 = 14,44 kg·m²

Balance de energía

½·IO·ω² = 83,88 → ω = √(2·83,88/14,44) = 3,408 rad/s

Respuesta

ω = 3,408 rad/s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 14,76 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 30° = 1,5 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 = √(2·9,81·1,5/1,5) = 4,429 m/s
ω = v/r = 4,429/0,3 = 14,76 rad/s

Respuesta

ω = 14,76 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 39,79 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/100,5 = 39,79 N·m

Respuesta

T1 = 39,79 N·m
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 4,748 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 = 2,945 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,7364 = 2,088, T₂ = 1500/2,088 = 718,3 N

Potencia

P = (1500 − 718,3)·6,074 = 4,748 kW

Respuesta

P = 4,748 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 0,8971 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·√(0,2/9,81) = 0,8971 s

Respuesta

T = 0,8971 s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: A = 10,18 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) = 0,02·250/4,02 = 1,244 m/s

Frecuencia angular

ω = √(k/(m + M)) = √(600/4,02) = 12,22 rad/s

Amplitud

A = V/ω = 1,244/12,22 = 0,1018 m = 10,18 cm

Respuesta

A = 10,18 cm
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1998

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·√(40000·200) = 5657 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 1130/5657 = 0,1998

Respuesta

ζ = 0,1998

ζ < 1, así que el sistema es subamortiguado y oscila mientras se amortigua.

20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 6,366 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 = 30 + 50 = 80 kN/m
keq = 80·80/(80 + 80) = 40 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(40000/25) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6,366 Hz

Respuesta

fn = 6,366 Hz

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