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)1,2 s10

Una conductora que circula a 36 km/h ve un obstáculo. Su tiempo de reacción es 1,2 s, tras el cual el coche frena con una deceleración constante de 5,5 m/s². Halla la distancia total de detención d desde el momento en que ve el obstáculo.

v₀ = 36 km/htr = 1,2 sa = −5,5 m/s²
d = m
2.CinemáticaDifícil
a = 20 m/s²

Un cohete de modelismo se lanza verticalmente hacia arriba desde el reposo. Su motor le da una aceleración constante hacia arriba de 20 m/s² durante 1 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 = 20 m/s²t1 = 1 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 20°a = ?m = 19 kg

Un bloque de 19 kg baja deslizando por una rampa inclinada 20° 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 = 19 kgθ = 20°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
θ = 25°bloquev₀ = 9,5 m/s

Se da un empujón a un bloque de modo que empieza a subir por una rampa de 25° con una velocidad de 9,5 m/s. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1. Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué distancia d recorre por la rampa antes de detenerse?

v₀ = 9,5 m/sθ = 25°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
d = m
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 36 m/sθ = ?R = 90 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 36 m/s y debe caer a 90 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 = 36 m/sR = 90 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 5 mv0​ = 23 m/s40°alcance

Se lanza una pelota a 40° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 5 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 23 m/sθ = 40°h = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimiento circularMedia
r = 25 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 25 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,6. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 25 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
R = 5 mh = 20,5 m

Una vagoneta de 3,5 kg se suelta desde el reposo a una altura de 20,5 m sobre una pista sin rozamiento y recorre un rizo vertical de radio 5 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza normal Ntop de la pista sobre la vagoneta en lo más alto del rizo.

m = 3,5 kgh = 20,5 mR = 5 mg = 9,81 m/s²
Ntop = N
9.Trabajo y energíaMedia
20°L = 2 m5 kg

Una bola de 5 kg cuelga de un hilo ligero de longitud 2 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 = 5 kgL = 2 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 2 mL = 4 mμ = 0,2k = 800 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 4 kg a una altura de 2 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 4 m (μ = 0,2) y después choca contra un muelle (k = 800 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 4 kgh = 2 mL = 4 mμ = 0,2k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
5 kgv = ?10 gh = 20 cm

Una bala de 10 g se dispara horizontalmente contra un bloque de madera de 5 kg que cuelga de hilos ligeros, y se queda incrustada en él. El bloque oscila hacia arriba hasta quedar 20 cm más alto que al principio. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 10 gM = 5 kgh = 20 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
10 m/s13 m/s

Una pelota de 0,55 kg golpea una pared a 10 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 13 m/s. El contacto dura 40 ms. Halla el módulo del impulso J que la pared ejerce sobre la pelota.

m = 0,55 kgvin = 10 m/svout = 13 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
0 → 1600 rpmI = 36,5 kg·m²

Un motor lleva un volante de inercia con un momento de inercia de 36,5 kg·m² desde el reposo hasta 1600 rpm en 14 s. Sin tener en cuenta las pérdidas, halla la potencia media Pavg que entrega, en kW.

I = 36,5 kg·m²n = 1600 rpmt = 14 s
Pavg = kW
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
160 m/s20 g0,44 mL = 0,6 m2,5 kgφ

Una barra esbelta uniforme de masa 2,5 kg y longitud 0,6 m cuelga en reposo de un pivote sin rozamiento en su extremo superior. Una bala de 20 g que se mueve horizontalmente a 160 m/s golpea la barra 0,44 m por debajo del pivote y queda incrustada. Usa g = 9,81 m/s². Halla el mayor ángulo φ respecto a la vertical que alcanza la barra al oscilar.

M = 2,5 kgL = 0,6 mm = 20 gv = 160 m/sd = 0,44 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
Nw​ = 50z = 3, 1450 rpm

Un tornillo sinfín de 3 entrada(s) gira a 1450 rpm y acciona una rueda helicoidal de 50 dientes. Halla la velocidad nw de la rueda.

z = 3Nw = 50n = 1450 rpm
nw = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 300 mm720 rpmC = 500 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 100 mm y una polea de 300 mm cuyos centros están separados 500 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 100 mmd2 = 300 mmC = 500 mm
θ = °
17.Muelles y péndulosMedia
t (s)x (cm)1,5 s

Una masa de 0,5 kg unida a un muelle con k = 320 N/m se desplaza 9 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su desplazamiento x respecto al equilibrio en t = 1,5 s (con signo).

m = 0,5 kgk = 320 N/mA = 9 cmt = 1,5 s
x = cm
18.Muelles y péndulosDifícil
0,2 kgk = 380 N/m

Una masa de 0,2 kg se une al extremo inferior de un muelle vertical sin estirar con k = 380 N/m y se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla el alargamiento máximo xmax del muelle en cm.

m = 0,2 kgk = 380 N/mg = 9,81 m/s²
xmax = cm
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx20 mm1 ciclo9,4 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 20 mm le sigue un ciclo después un pico de 9,4 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 20 mmx1 = 9,4 mmn = 1
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 10k3​ = 12m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga del muelle k₃ = 12 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 10 kN/m y k₂ = 10 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 = 10 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: d = 21,09 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 = 36/3,6 = 10 m/s

Distancia de reacción

d1 = v₀·tr = 10·1,2 = 12 m

Distancia de frenado

d2 = v₀²/(2a) = 10²/(2·5,5) = 9,091 m

Total

d = 12 + 9,091 = 21,09 m

Respuesta

d = 21,09 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 30,39 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 = 20·1 = 20 m/s
h₁ = ½·20·1² = 10 m

Vuelo libre hacia arriba

En el punto más alto la velocidad es nula.

Δh = v₁²/(2g) = 20²/(2·9,81) = 20,39 m
hmax = 10 + 20,39 = 30,39 m

Respuesta

hmax = 30,39 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 0,5897 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 20° − 0,3·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,2819) = 0,5897 m/s²

Respuesta

a = 0,5897 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: d = 8,962 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 25° + 0,1·cos 25°) = 5,035 m/s²

Distancia

d = v₀²/(2a) = 9,5²/(2·5,035) = 8,962 m

Respuesta

d = 8,962 m
5.Tiro parabólico

Respuesta: θ = 21,47 °

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 = 9,81·90/36² = 0,6813

Ángulo

2θ = 42,94° → θ = 21,47°

Respuesta

θ = 21,47°

La otra solución es 90° − θ = 68,53°.

6.Tiro parabólico

Respuesta: t = 3,321 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 = 23·cos 40° = 17,62 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 40° = 14,78 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 5 + 14,78·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (14,78 + √(218,6 + 98,1))/9,81 = 3,321 s

Respuesta

t = 3,321 s
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 12,13 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) = √(0,6·9,81·25) = 12,13 m/s

Respuesta

vmax = 12,13 m/s (43,67 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: Ntop = 109,9 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.

Velocidad a partir de la conservación de la energía

v² = 2·9,81·(20,5 − 2·5) = 206 m²/s²

Fuerzas

Hacia el centro es positivo.

N = m·v²/R − m·g = 3,5·206/5 − 34,34 = 109,9 N

Respuesta

Ntop = 109,9 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: T = 54,97 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) = 2·9,81·2·(1 − cos 20°) = 2,366 m²/s²

Fuerzas abajo

m·g = 5·9,81 = 49,05 N
T = mg + mv²/L = 49,05 + 5·2,366/2 = 54,97 N

Respuesta

T = 54,97 N

Comprobación: T = mg(3 − 2cos θ) = 54,97 N.

10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 34,31 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 = 39,24·(2 − 0,2·4) = 47,09 J

Compresión máxima

½kx² = 47,09 → x = √(2·47,09/800) = 0,3431 m = 34,31 cm

Respuesta

x = 34,31 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 992,4 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.

Oscilación tras el impacto

V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,2) = 1,981 m/s

Choque

m·v = (m + M)·V → v = (0,01 + 5)·1,981/0,01 = 992,4 m/s

Respuesta

v = 992,4 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: J = 12,65 N·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.

Variación de la cantidad de movimiento

J = m·Δv = 0,55·(13 + 10) = 12,65 N·s

Respuesta

J = 12,65 N·s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: Pavg = 36,6 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·1600/60 = 167,6 rad/s

Energía

E = ½·I·ω² = ½·36,5·167,6² = 512342 J

Potencia media

Pavg = E/t = 512342/14 = 36596 W = 36,6 kW

Respuesta

Pavg = 36,6 kW
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: φ = 55,82 °

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.

Momento de inercia después del impacto

I = M·L²/3 + m·d² = 2,5·0,6²/3 + 0,02·0,44² = 0,3039 kg·m²

Momento angular respecto al pivote

La fuerza del pivote pasa por el pivote, así que no tiene momento allí durante el impacto.

m·v·d = I·ω → ω = 0,02·160·0,44/0,3039 = 4,634 rad/s

Energía durante la oscilación

½·I·ω² = ½·0,3039·4,634² = 3,262 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 7,444·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 3,262/7,444 = 0,5618 → φ = 55,82°

Respuesta

φ = 55,82°
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nw = 87 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.

Velocidad de la rueda

nw = n·z/Nw = 1450·3/50 = 87 rpm

Respuesta

nw = 87 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 156,9 °

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(0,2) = 11,54°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·11,54 = 156,9°

Respuesta

θ = 156,9°
17.Muelles y péndulos

Respuesta: x = 8,724 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 = √(320/0,5) = 25,3 rad/s
ω·t = 25,3·1,5 = 37,95 rad

Desplazamiento

x = A·cos(ω·t) = 9·cos(37,95) = 8,724 cm

Respuesta

x = 8,724 cm
18.Muelles y péndulos

Respuesta: xmax = 1,033 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 = 0,2·9,81/380 = 0,005163 m = A

Punto más bajo

xmax = 2A = 0,01033 m = 1,033 cm

Respuesta

xmax = 1,033 cm
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1193

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 = (1/1)·ln(20/9,4) = 0,755

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,755/√(39,48 + 0,5701) = 0,1193

Respuesta

ζ = 0,1193
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,179 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 = 10 + 10 = 20 kN/m
keq = 20·12/(20 + 12) = 7,5 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(7500/40) = 13,69 rad/s
fn = 13,69/(2π) = 2,179 Hz

Respuesta

fn = 2,179 Hz

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