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)t = ?20

Un coche que circula a 72 km/h frena con una deceleración constante de 7 m/s² hasta detenerse. ¿Cuánto dura la frenada? Halla t.

v₀ = 72 km/ha = −7 m/s²v = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 9 m/s30 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 9 m/s desde el borde de un tejado situado a 30 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 = 9 m/sh₀ = 30 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 35°a = ?m = 17 kg

Un bloque de 17 kg baja deslizando por una rampa inclinada 35° respecto a la horizontal. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,25. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del bloque a lo largo de la rampa.

m = 17 kgθ = 35°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 2,5 kg5 kgsin rozamiento

Un bloque de 2,5 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 5 kg. La mesa no tiene rozamiento. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda.

m1 = 2,5 kgm2 = 5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 36 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 = 36 m/sθ = 45°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 25 mv0​ = 22 m/s55°x = ?

Se lanza una pelota a 55° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 25 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla la distancia horizontal x recorrida antes de que la pelota toque el suelo.

v0 = 22 m/sθ = 55°h = 25 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 85 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 85 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,7. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 85 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,7 mv = 8,5 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 1,7 kg atada a una cuerda de 0,7 m. En el punto más bajo se mueve a 8,5 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 1,7 kgr = 0,7 mv = 8,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
20°L = 0,8 m1 kg

Una bola de 1 kg cuelga de un hilo ligero de longitud 0,8 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 = 1 kgL = 0,8 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 4 mL = 4,5 mμ = 0,15k = 5000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 2,5 kg a una altura de 4 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 4,5 m (μ = 0,15) y después choca contra un muelle (k = 5000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la velocidad v del bloque cuando llega al muelle.

m = 2,5 kgh = 4 mL = 4,5 mμ = 0,15k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
4,5 kgv = ?12 gh = 4 cm

Una bala de 12 g se dispara horizontalmente contra un bloque de madera de 4,5 kg que cuelga de hilos ligeros, y se queda incrustada en él. El bloque oscila hacia arriba hasta quedar 4 cm más alto que al principio. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 12 gM = 4,5 kgh = 4 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
15 m/s15 m/s

Una pelota de 0,6 kg golpea una pared a 15 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 15 m/s. El contacto dura 40 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,6 kgvin = 15 m/svout = 15 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
v = ?2,5 kgL = 2,4 mm = 9 kg

Una barra esbelta uniforme de masa 9 kg y longitud 2,4 m está articulada por un extremo y se suelta desde el reposo en posición horizontal. Una pequeña bola de masa 2,5 kg está fijada a su extremo libre. Ignora el rozamiento y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v del extremo libre cuando la barra pasa por la posición vertical.

m = 9 kgL = 2,4 mmball = 2,5 kgg = 9,81 m/s²
v = m/s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 10°as = 7,5 m

Un cuerpo (aro delgado) rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 10° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Parte del reposo. ¿Cuánto tiempo t tarda en rodar 7,5 m por la pendiente?

θ = 10°I = m·r²g = 9,81 m/s²s = 7,5 m
t = s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 12N2​ = 36

Un motor de 4 kW que gira a 1500 rpm acciona un piñón de 12 dientes, que engrana con una rueda de 36 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 96 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 4 kWn1 = 1500 rpmN1 = 12N2 = 36η = 96%
T1 = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm960 rpmC = 800 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 100 mm y una polea de 315 mm cuyos centros están separados 800 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 100 mmd2 = 315 mmC = 800 mm
θ = °
17.Muelles y péndulosMedia
t (s)x (cm)0,45 s

Una masa de 0,2 kg unida a un muelle con k = 180 N/m se desplaza 6 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su velocidad v en t = 0,45 s (con signo).

m = 0,2 kgk = 180 N/mA = 6 cmt = 0,45 s
v = m/s
18.Muelles y péndulosDifícil
4 kgk = 1100 N/m250 m/s

Una bala de 12 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 = 1100 N/m. Halla la amplitud A de la oscilación resultante en cm.

m = 12 gv = 250 m/sM = 4 kgk = 1100 N/m
A = cm
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx50 mm3 ciclos34,3 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 50 mm le sigue 3 ciclos después un pico de 34,3 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 50 mmx3 = 34,3 mmn = 3
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 100m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 25 kN/m y el inferior k₂ = 100 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 5 kgk1 = 25 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: t = 2,857 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.

Unidades

v₀ = 72/3,6 = 20 m/s

Tiempo de frenado

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 20/7 = 2,857 s

Respuesta

t = 2,857 s
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 34,13 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 = 9²/(2·9,81) = 4,128 m

Altura sobre el suelo

hmax = 30 + 4,128 = 34,13 m

Respuesta

hmax = 34,13 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 3,618 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 35° − 0,25·cos 35°) = 9,81·(0,5736 − 0,2048) = 3,618 m/s²

Respuesta

a = 3,618 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 16,35 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.

Aceleración del sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (49,05 − 0)/7,5 = 6,54 m/s²

Tensión a partir del bloque de la mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 2,5·6,54 + 0 = 16,35 N

Respuesta

T = 16,35 N
5.Tiro parabólico

Respuesta: H = 33,03 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 = 36·cos 45° = 25,46 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 45° = 25,46 m/s

Punto más alto

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

H = vy²/(2g) = 25,46²/(2·9,81) = 33,03 m

Respuesta

H = 33,03 m
6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 59,91 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 = 22·cos 55° = 12,62 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 55° = 18,02 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 25 + 18,02·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (18,02 + √(324,8 + 490,5))/9,81 = 4,748 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 12,62·4,748 = 59,91 m

Respuesta

x = 59,91 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 24,16 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) = √(0,7·9,81·85) = 24,16 m/s

Respuesta

vmax = 24,16 m/s (86,98 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 192,1 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 = 1,7·9,81 + 1,7·8,5²/0,7 = 16,68 + 175,5 = 192,1 N

Respuesta

T = 192,1 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: T = 10,99 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 20°) = 0,9466 m²/s²

Fuerzas abajo

m·g = 1·9,81 = 9,81 N
T = mg + mv²/L = 9,81 + 1·0,9466/0,8 = 10,99 N

Respuesta

T = 10,99 N

Comprobación: T = mg(3 − 2cos θ) = 10,99 N.

10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 8,077 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 = 24,53·(4 − 0,15·4,5) = 81,55 J

Velocidad al llegar al muelle

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,325) = 8,077 m/s

Respuesta

v = 8,077 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 333,1 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) = √(2·9,81·0,04) = 0,8859 m/s

Choque

m·v = (m + M)·V → v = (0,012 + 4,5)·0,8859/0,012 = 333,1 m/s

Respuesta

v = 333,1 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 450 N

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 = 0,6·(15 + 15) = 18 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 18/0,04 = 450 N

Respuesta

Favg = 450 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 7,741 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.

Pérdida de energía potencial

m·g·L/2 + mball·g·L = 9·9,81·1,2 + 2,5·9,81·2,4 = 164,8 J

Momento de inercia respecto al pasador

IO = m·L²/3 + mball·L² = 17,28 + 14,4 = 31,68 kg·m²

Balance de energía

½·IO·ω² = 164,8 → ω = √(2·164,8/31,68) = 3,226 rad/s
v = ω·L = 3,226·2,4 = 7,741 m/s

Respuesta

v = 7,741 m/s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: t = 4,197 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 10°/2 = 0,8517 m/s²

Tiempo

s = ½·a·t² → t = √(2·7,5/0,8517) = 4,197 s

Respuesta

t = 4,197 s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 25,46 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/157,1 = 25,46 N·m

Respuesta

T1 = 25,46 N·m
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 164,6 °

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(0,1344) = 7,722°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·7,722 = 164,6°

Respuesta

θ = 164,6°
17.Muelles y péndulos

Respuesta: v = −1,447 m/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 = √(180/0,2) = 30 rad/s
ω·t = 30·0,45 = 13,5 rad

Velocidad

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0,06·30·sin(13,5) = −1,447 m/s

Respuesta

v = −1,447 m/s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: A = 4,516 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) = 0,012·250/4,012 = 0,7478 m/s

Frecuencia angular

ω = √(k/(m + M)) = √(1100/4,012) = 16,56 rad/s

Amplitud

A = V/ω = 0,7478/16,56 = 0,04516 m = 4,516 cm

Respuesta

A = 4,516 cm
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,01999

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 = (1/3)·ln(50/34,3) = 0,1256

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1256/√(39,48 + 0,01578) = 0,01999

Respuesta

ζ = 0,01999
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 20 kN/m

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 = 1/25 + 1/100 → keq = 25·100/(25 + 100) = 20 kN/m

Respuesta

keq = 20 kN/m

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