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)5 s20

Un coche que circula a 72 km/h frena con una deceleración constante de 4 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 72 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
a = 24 m/s²

Un cohete de modelismo se lanza verticalmente hacia arriba desde el reposo. Su motor le da una aceleración constante hacia arriba de 24 m/s² durante 1,5 s; después el motor se apaga y el cohete se mueve libremente. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿Cuánto tiempo después del lanzamiento llega al suelo? Halla t.

a = 24 m/s²t1 = 1,5 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 25°30 kgF = ?

Se empuja una caja de 30 kg rampa arriba, con una inclinación de 25° respecto a la horizontal, a velocidad constante, mediante una fuerza paralela a la rampa. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la fuerza de empuje F.

m = 30 kgθ = 25°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
F = N
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 9,5 kg5 kgμ = 0,3

Un bloque de 9,5 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. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la mesa es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.

m1 = 9,5 kgm2 = 5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = ?50°R = 90 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 50° por encima de la horizontal y cae a 90 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad de lanzamiento v0.

θ = 50°R = 90 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 15 mv0​ = 10 m/s60°α = ?

Se lanza una pelota a 10 m/s y 60° por encima de la horizontal desde lo alto de un acantilado de 15 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 = 10 m/sθ = 60°h = 15 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Movimiento circularMedia
r = 70 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 70 m de radio. El coeficiente de rozamiento estático entre los neumáticos y la carretera es 0,8. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad máxima vmax a la que el coche puede tomar la curva sin derrapar.

r = 70 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
θ = 25°hacia el centrovmin​ = ?

Una curva de radio 220 m tiene un peralte de 25°, y el coeficiente de rozamiento estático entre neumáticos y carretera es 0,3. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad mínima vmin a la que un coche puede tomar la curva sin deslizar hacia abajo por el peralte.

r = 220 mθ = 25°μs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
30 km/h

Un coche que circula a 30 km/h por una carretera horizontal frena bruscamente y derrapa hasta detenerse con las ruedas bloqueadas. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,6. Halla la distancia de frenado d.

v = 30 km/hμ = 0,6g = 9,81 m/s²
d = m
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 3 mL = 3,5 mμ = 0,1k = 2500 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 4 kg a una altura de 3 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 3,5 m (μ = 0,1) 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 = 4 kgh = 3 mL = 3,5 mμ = 0,1k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
500 kg7 m/s1400 kg

Un coche de 500 kg que se mueve a 7 m/s choca con un coche parado de 1400 kg y ambos quedan unidos. ¿Cuánta energía cinética ΔK se pierde en el choque?

m1 = 500 kgv1 = 7 m/sm2 = 1400 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1900 kgv1​ = ?1800 kg

Un coche de 1900 kg choca con un coche aparcado de 1800 kg. Los restos quedan unidos y derrapan 18 m antes de detenerse. El coeficiente de rozamiento dinámico entre neumáticos y carretera es 0,7. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v1 del primer coche justo antes del choque.

m1 = 1900 kgm2 = 1800 kgd = 18 mμ = 0,7g = 9,81 m/s²
v1 = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
0 → 1700 rpmI = 23 kg·m²

Un motor lleva un volante de inercia con un momento de inercia de 23 kg·m² desde el reposo hasta 1700 rpm en 22 s. Sin tener en cuenta las pérdidas, halla la potencia media Pavg que entrega, en kW.

I = 23 kg·m²n = 1700 rpmt = 22 s
Pavg = kW
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
0,7 m0,25 mn1​ = 45 rpm

Una persona está de pie sobre un plato giratorio sin rozamiento y sostiene una pesa de 5,5 kg en cada mano, a 0,7 m del eje. La persona y el plato solos tienen un momento de inercia de 1,5 kg·m² respecto al eje. Giran a 45 rpm y luego acercan las pesas hasta 0,25 m del eje. Trata las pesas como masas puntuales. Halla la nueva velocidad n2 en rpm.

I0 = 1,5 kg·m²m = 2 × 5,5 kgr1 = 0,7 mr2 = 0,25 mn1 = 45 rpm
n2 = rpm
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 80 mmd2​ = 400 mm1500 rpmT1​ = 600 NT2​ = 120 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 80 mm a 1500 rpm. La tensión es de 600 N en el ramal tenso y de 120 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmT1 = 600 NT2 = 120 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 24B = 32C = 32D = 50

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (24 dientes), en el eje de entrada que gira a 1500 rpm, acciona el engranaje B (32 dientes). El engranaje C (32 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (50 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1500 rpmA = 24B = 32C = 32D = 50
nout = rpm
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
3,9 kgk = 80 N/mA = 2 cm

Una masa de 3,9 kg unida a un muelle con k = 80 N/m se separa 2 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.

m = 3,9 kgk = 80 N/mA = 2 cm
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx12 mm1 ciclo8,8 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 12 mm le sigue un ciclo después un pico de 8,8 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 12 mmx1 = 8,8 mmn = 1
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 80k3​ = 60m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga del muelle k₃ = 60 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 = 80 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 = 50 kgk1 = 10 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 50 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 = 72/3,6 = 20 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·4) = 50 m

Respuesta

s = 50 m
2.Cinemática

Respuesta: t = 9,525 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.

Fase propulsada

v₁ = 24·1,5 = 36 m/s
h₁ = ½·24·1,5² = 27 m

Vuelo libre hasta el suelo

Resuelve −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² y toma la raíz positiva.

t₂ = (36 + √(36² + 2·9,81·27))/9,81 = 8,025 s
t = 1,5 + 8,025 = 9,525 s

Respuesta

t = 9,525 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: F = 204,4 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.

Fuerzas a lo largo de la rampa

Velocidad constante: las fuerzas se equilibran.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Fuerza de empuje

F = 124,4 + 80,02 = 204,4 N

Respuesta

F = 204,4 N
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 1,455 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) = (49,05 − 27,96)/14,5 = 1,455 m/s²

Respuesta

a = 1,455 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: v0 = 29,94 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) = √(9,81·90/sin 100°) = 29,94 m/s

Respuesta

v0 = 29,94 m/s
6.Tiro parabólico

Respuesta: α = 75,42 °

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 = 10·cos 60° = 5 m/s
vy0 = 10·sin 60° = 8,66 m/s

Velocidad vertical en el impacto

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

vy = √(8,66² + 2·9,81·15) = 19,22 m/s

Ángulo de impacto

tan α = vy/vx = 19,22/5 → α = 75,42°

Respuesta

α = 75,42°
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 23,44 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) = √(0,8·9,81·70) = 23,44 m/s

Respuesta

vmax = 23,44 m/s (84,38 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 17,74 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 arriba.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

Rapidez

v = √(220·9,81·0,1507/1,033) = 17,74 m/s

Respuesta

vmin = 17,74 m/s
(63,88 km/h)
9.Trabajo y energía

Respuesta: d = 5,899 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).

Velocidad en unidades básicas

v = 30/3,6 = 8,333 m/s

Balance de energía

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 8,333²/(2·0,6·9,81) = 5,899 m

Respuesta

d = 5,899 m

Duplicar la velocidad cuadruplica la distancia de frenado.

10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 7,211 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 = 39,24·(3 − 0,1·3,5) = 104 J

Velocidad al llegar al muelle

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·2,65) = 7,211 m/s

Respuesta

v = 7,211 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: ΔK = 9026 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) = 500·7/1900 = 1,842 m/s

Energía cinética antes y después

Kbefore = ½·500·7² = 12250 J
Kafter = ½·1900·1,842² = 3224 J

Energía perdida

ΔK = 12250 − 3224 = 9026 J

Respuesta

ΔK = 9026 J

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v1 = 30,62 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) = √(2·0,7·9,81·18) = 15,72 m/s

Cantidad de movimiento en el choque

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3700·15,72/1900 = 30,62 m/s

Respuesta

v1 = 30,62 m/s
(110,2 km/h)
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: Pavg = 16,57 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·1700/60 = 178 rad/s

Energía

E = ½·I·ω² = ½·23·178² = 364463 J

Potencia media

Pavg = E/t = 364463/22 = 16566 W = 16,57 kW

Respuesta

Pavg = 16,57 kW
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: n2 = 141,7 rpm

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.

Momentos de inercia

I1 = 1,5 + 2·5,5·0,7² = 6,89 kg·m²
I2 = 1,5 + 2·5,5·0,25² = 2,188 kg·m²

Conservación del momento angular

n2 = n1·I1/I2 = 45·6,89/2,188 = 141,7 rpm

Respuesta

n2 = 141,7 rpm

La energía cinética aumenta: la energía extra procede del trabajo que realiza la persona al acercar las pesas.

15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 3,016 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.

Velocidad de la correa

v = 6,283 m/s

Potencia

P = (600 − 120)·6,283 = 3016 W = 3,016 kW

Respuesta

P = 3,016 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 720 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 = 1500·24/32 = 1125 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1125·32/50 = 720 rpm

Respuesta

nout = 720 rpm

relación total = 2,083 : 1

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: vmax = 0,09058 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 = √(80/3,9) = 4,529 rad/s

Velocidad máxima

vmax = A·ω = 0,02·4,529 = 0,09058 m/s

Respuesta

vmax = 0,09058 m/s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,0493

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(12/8,8) = 0,3102

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3102/√(39,48 + 0,0962) = 0,0493

Respuesta

ζ = 0,0493
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 4,271 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 + 80 = 90 kN/m
keq = 90·60/(90 + 60) = 36 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(36000/50) = 26,83 rad/s
fn = 26,83/(2π) = 4,271 Hz

Respuesta

fn = 4,271 Hz

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