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 = 3 m/s²coche17 m/s

Un coche que circula a 17 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 3 m/s². ¿A qué distancia de su punto de partida lo alcanza el coche de policía? Halla d.

vcar = 17 m/sapolice = 3 m/s²v0,police = 0
d = m
2.CinemáticaDifícil
AB: 25 m/s50 m

La bola A se deja caer desde el reposo desde una altura de 50 m. En el mismo instante, la bola B se lanza verticalmente hacia arriba desde el suelo, justo debajo, a 25 m/s. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿Cuándo se encuentran las bolas? Halla t.

H = 50 mv0B = 25 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 40°a = ?m = 15 kg

Un bloque de 15 kg baja deslizando por una rampa inclinada 40° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 15 kgθ = 40°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 8,5 kg1,5 kgμ = 0,1

Un bloque de 8,5 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 1,5 kg. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la mesa es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.

m1 = 8,5 kgm2 = 1,5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 40 m/s45°alcanceH = ?

Se lanza una pelota a 45° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla la altura máxima H que alcanza la pelota.

v0 = 40 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 10 mv0​ = 33 m/s20°x = ?

Se lanza una pelota a 20° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 10 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 33 m/sθ = 20°h = 10 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 95 mvmax​ = ?

Un coche pasa por la cima de un cambio de rasante, que es un arco de circunferencia de radio 95 m. Usa g = 9,81 m/s². ¿Por encima de qué velocidad vmax las ruedas se separan de la carretera en la cima?

r = 95 mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
θ = 20°hacia el centrovmax​ = ?

Una curva de radio 80 m tiene un peralte de 20°, 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 = 80 mθ = 20°μs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
40°L = 0,8 m2 kg

Una bola de 2 kg cuelga de un hilo ligero de longitud 0,8 m. Se separa hasta que el hilo forma 40° 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 = 2 kgL = 0,8 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 1,5 mL = 3,5 mμ = 0,25k = 2000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 10 kg a una altura de 1,5 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 = 2000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 10 kgh = 1,5 mL = 3,5 mμ = 0,25k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
2,5 kg7 m/s1,5 kg

Un deslizador de 2,5 kg que se mueve a 7 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 1,5 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′2 del segundo deslizador después del choque.

m1 = 2,5 kgm2 = 1,5 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1 kgv = ?12 g40°L = 1,7 m

Una bala de 12 g se dispara horizontalmente contra un bloque de 1 kg que cuelga de hilos ligeros de 1,7 m de longitud, y se queda incrustada en él. Los hilos oscilan hasta un ángulo máximo de 40° con la vertical. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 12 gM = 1 kgL = 1,7 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 1300 rpmT = 550 N·m

Un motor entrega un par de 550 N·m a 1300 rpm. Halla su potencia de salida P en kW.

T = 550 N·mn = 1300 rpm
P = kW
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 10°a

Un cuerpo (cilindro macizo) rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 10° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de su centro.

θ = 10°I = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
a = m/s²
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 125 mmd2​ = 450 mm960 rpmn2​ = ?

Una polea de 125 mm a 960 rpm acciona una polea de 450 mm mediante una correa con un 2,5 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 960 rpmd1 = 125 mmd2 = 450 mms = 2,5 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 15B = 80C = 12D = 45

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (15 dientes), en el eje de entrada que gira a 1440 rpm, acciona el engranaje B (80 dientes). El engranaje C (12 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (45 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1440 rpmA = 15B = 80C = 12D = 45
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
t (s)x (cm)1,45 s

Una masa de 1,9 kg unida a un muelle con k = 280 N/m se desplaza 11 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su desplazamiento x respecto al equilibrio en t = 1,45 s (con signo).

m = 1,9 kgk = 280 N/mA = 11 cmt = 1,45 s
x = cm
18.Muelles y péndulosDifícil
t (s)x (cm)t = ?4,25

Un cuerpo describe un movimiento armónico simple con periodo 0,5 s y amplitud 17 cm. ¿Cuál es el tiempo mínimo t que necesita para pasar de su desplazamiento máximo de 17 cm a un desplazamiento de 4,25 cm?

T = 0,5 sA = 17 cmx = 4,25 cm
t = s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 15 kN/mζ = 0,7m = 5 kg

Una masa de 5 kg sobre un muelle con una rigidez de 15 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 = 15 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 15m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 100 kN/m y el inferior k₂ = 15 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 40 kgk1 = 100 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 192,7 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 = 2·17/3 = 11,33 s

Distancia

d = v·t = 17·11,33 = 192,7 m

Respuesta

d = 192,7 m

En ese momento el coche de policía va a 2v = 34 m/s.

2.Cinemática

Respuesta: t = 2 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.

Instante del encuentro

Hacia arriba es positivo; el suelo es y = 0.

50 − ½g·t² = 25·t − ½g·t² → t = 50/25 = 2 s

Respuesta

t = 2 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 4,051 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 40° − 0,3·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,2298) = 4,051 m/s²

Respuesta

a = 4,051 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 0,6376 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) = (14,71 − 8,339)/10 = 0,6376 m/s²

Respuesta

a = 0,6376 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: H = 40,77 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 = 40·cos 45° = 28,28 m/s
vy = v0·sin θ = 40·sin 45° = 28,28 m/s

Punto más alto

En lo más alto la velocidad vertical es cero: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 28,28²/(2·9,81) = 40,77 m

Respuesta

H = 40,77 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 92,54 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 = 33·cos 20° = 31,01 m/s
vy = v0·sin θ = 33·sin 20° = 11,29 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 10 + 11,29·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (11,29 + √(127,4 + 196,2))/9,81 = 2,984 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 31,01·2,984 = 92,54 m

Respuesta

x = 92,54 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 30,53 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.

Fuerza normal nula

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·95) = 30,53 m/s

Respuesta

vmax = 30,53 m/s
(109,9 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 24,19 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 = √(80·9,81·0,6239/0,8371) = 24,19 m/s

Respuesta

vmax = 24,19 m/s
(87,07 km/h)
9.Trabajo y energía

Respuesta: T = 28,8 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) = 2·9,81·0,8·(1 − cos 40°) = 3,672 m²/s²

Fuerzas abajo

m·g = 2·9,81 = 19,62 N
T = mg + mv²/L = 19,62 + 2·3,672/0,8 = 28,8 N

Respuesta

T = 28,8 N

Comprobación: T = mg(3 − 2cos θ) = 28,8 N.

10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 24,76 cm

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 = 98,1·(1,5 − 0,25·3,5) = 61,31 J

Compresión máxima

½kx² = 61,31 → x = √(2·61,31/2000) = 0,2476 m = 24,76 cm

Respuesta

x = 24,76 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 8,75 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 = (2,5 − 1,5)/(2,5 + 1,5)·7 = 1,75 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 1,5)·7 = 8,75 m/s

Respuesta

v′2 = 8,75 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 235,6 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) = 1,7·(1 − cos 40°) = 0,3977 m

Velocidad tras el impacto

V = √(2·9,81·0,3977) = 2,793 m/s

Choque

v = (m + M)·V/m = 1,012·2,793/0,012 = 235,6 m/s

Respuesta

v = 235,6 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: P = 74,87 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·1300/60 = 136,1 rad/s

Potencia

P = T·ω = 550·136,1 = 74875 W = 74,87 kW

Respuesta

P = 74,87 kW
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: a = 1,136 m/s²

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 = 0,5·m·r²·(a/r) → f = 0,5·m·a

Aceleración

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 10°/1,5 = 1,136 m/s²

Respuesta

a = 1,136 m/s²
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 260 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

960·125/450 = 266,7 rpm

Con deslizamiento

n2 = 266,7·0,975 = 260 rpm

Respuesta

n2 = 260 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 72 rpm

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.

Primera etapa

nB = 1440·15/80 = 270 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 270·12/45 = 72 rpm

Respuesta

nout = 72 rpm

relación total = 20 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: x = 3,498 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 = √(280/1,9) = 12,14 rad/s
ω·t = 12,14·1,45 = 17,6 rad

Desplazamiento

x = A·cos(ω·t) = 11·cos(17,6) = 3,498 cm

Respuesta

x = 3,498 cm
18.Muelles y péndulos

Respuesta: t = 0,1049 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.

Frecuencia angular

ω = 2π/T = 2π/0,5 = 12,57 rad/s

Despeja el tiempo

0,25 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,25) = 1,318 rad
t = 1,318/12,57 = 0,1049 s

Respuesta

t = 0,1049 s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 6,225 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 = √(15000/5) = 54,77 rad/s
fn = 54,77/(2π) = 8,717 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 8,717·√(1 − 0,7²) = 6,225 Hz

Respuesta

fd = 6,225 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,874 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 + 1/15 → keq = 100·15/(100 + 15) = 13,04 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(13043/40) = 18,06 rad/s
fn = 18,06/(2π) = 2,874 Hz

Respuesta

fn = 2,874 Hz

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