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 = ?12,5

Un coche que circula a 45 km/h frena con una deceleración constante de 8 m/s² hasta detenerse. ¿Cuánto dura la frenada? Halla t.

v₀ = 45 km/ha = −8 m/s²v = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 18 m/s20 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 18 m/s desde el borde de un tejado situado a 20 m sobre el suelo. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿Cuánto tiempo después del lanzamiento llega al suelo? Halla t.

v₀ = 18 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 40°a = ?m = 7 kg

Un bloque de 7 kg baja deslizando por una rampa inclinada 40° 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 = 7 kgθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leyes de NewtonDifícil
m1​ = 5 kg4,5 kgsin rozamiento

Un bloque de 5 kg sobre una mesa horizontal está unido, mediante una cuerda ligera que pasa por una polea sin rozamiento, a una masa colgante de 4,5 kg. La mesa no tiene rozamiento. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a del sistema.

m1 = 5 kgm2 = 4,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
6 my = ?v0​ = 12 m/s45°

Se chuta una pelota desde un terreno horizontal a 12 m/s y 45° por encima de la horizontal hacia una pared situada a 6 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura y pasa la pelota por la pared?

v₀ = 12 m/sθ = 45°x = 6 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Tiro parabólicoDifícil
24 mv0​ = 38 m/s70°x = ?

Se lanza una pelota desde el nivel del suelo a 38 m/s y 70° por encima de la horizontal. Cae, ya bajando, sobre la azotea plana de un edificio de 24 m de altura. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la distancia horizontal x desde el punto de lanzamiento hasta donde cae.

v₀ = 38 m/sθ = 70°hroof = 24 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimiento circularMedia
r = 110 mvmax​ = ?

Un coche toma una curva plana de 110 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 = 110 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,8 mv = 5,5 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 1,2 kg atada a una cuerda de 0,8 m. En el punto más bajo se mueve a 5,5 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 1,2 kgr = 0,8 mv = 5,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
35°d = 11 mμ = 0,4

Un bloque de 10 kg desliza 11 m por una rampa inclinada 35° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,4. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 10 kgθ = 35°μ = 0,4d = 11 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
k = 2000 N/m20°μ = 0,250,5 kg

Un muelle de rigidez 2000 N/m situado al pie de una pendiente de 20° se comprime 10 cm contra un bloque de 0,5 kg y se suelta. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la pendiente es 0,25. ¿Qué distancia d recorre el bloque pendiente arriba desde el punto de suelta hasta detenerse? (Desprecia el corto tramo en el que empuja el muelle, es decir, aplica el rozamiento y la gravedad a toda la distancia d.)

m = 0,5 kgk = 2000 N/mx = 10 cmθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
3 kgv = ?8 gh = 9 cm

Una bala de 8 g se dispara horizontalmente contra un bloque de madera de 3 kg que cuelga de hilos ligeros, y se queda incrustada en él. El bloque oscila hacia arriba hasta quedar 9 cm más alto que al principio. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v de la bala antes del impacto.

m = 8 gM = 3 kgh = 9 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
20 m/s10 m/s

Una pelota de 0,55 kg golpea una pared a 20 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 10 m/s. El contacto dura 5 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,55 kgvin = 20 m/svout = 10 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 1,5 mm = 12 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 12 kg y longitud 1,5 m está articulada por un extremo y se mantiene horizontal. Se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla su aceleración angular α justo después de soltarla.

m = 12 kgL = 1,5 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 15°a

Un cuerpo (cilindro macizo) rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 15° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de su centro.

θ = 15°I = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
a = m/s²
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 125 mmd2​ = 300 mm960 rpmn2​ = ?

Una polea de 125 mm a 960 rpm acciona una polea de 300 mm mediante una correa con un 2 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 960 rpmd1 = 125 mmd2 = 300 mms = 2 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 32B = 48C = 18D = 60

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (32 dientes), en el eje de entrada que gira a 3000 rpm, acciona el engranaje B (48 dientes). El engranaje C (18 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (60 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 3000 rpmA = 32B = 48C = 18D = 60
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = 0,9 mT = 1,78 s

Una astronauta en otro planeta comprueba que un péndulo simple de 0,9 m de longitud tiene un periodo de 1,78 s para oscilaciones pequeñas. Halla la aceleración de la gravedad g en ese planeta.

L = 0,9 mT = 1,78 s
g = m/s²
18.Muelles y péndulosDifícil
mk = 460 N/mA = 18 cmx = 15 cm

Una masa unida a un muelle con k = 460 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 18 cm. Halla su energía cinética K cuando está a 15 cm del equilibrio.

k = 460 N/mA = 18 cmx = 15 cm
K = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx40 mm4 ciclos5,3 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 40 mm le sigue 4 ciclos después un pico de 5,3 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 40 mmx4 = 5,3 mmn = 4
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 10k3​ = 30m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga del muelle k₃ = 30 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 = 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 = 5 kgk1 = 30 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: t = 1,563 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 = 45/3,6 = 12,5 m/s

Tiempo de frenado

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 12,5/8 = 1,563 s

Respuesta

t = 1,563 s
2.Cinemática

Respuesta: t = 4,563 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.

Ecuación del movimiento

Hacia arriba es positivo y el suelo está h₀ por debajo del punto de partida.

−20 = 18·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 18·t − 20 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

Solo la raíz positiva tiene sentido físico.

t = (18 + √(18² + 2·9,81·20))/9,81 = 4,563 s

Respuesta

t = 4,563 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: a = 4,427 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° − 0,25·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,1915) = 4,427 m/s²

Respuesta

a = 4,427 m/s²
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 4,647 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) = (44,15 − 0)/9,5 = 4,647 m/s²

Respuesta

a = 4,647 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: y = 3,547 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.

Tiempo hasta la pared

vx = 12·cos 45° = 8,485 m/s
t = x/vx = 6/8,485 = 0,7071 s

Altura en ese instante

y = 8,485·0,7071 − ½·9,81·0,7071² = 3,547 m

Respuesta

y = 3,547 m

En la pared la pelota todavía está subiendo.

6.Tiro parabólico

Respuesta: x = 84,88 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

vx = 13 m/s, vy = 35,71 m/s

Tiempo hasta caer en la azotea

Raíz mayor: la pelota está bajando.

24 = 35,71·t − 4,905·t²
t = (35,71 + √(35,71² − 2·9,81·24))/9,81 = 6,531 s

Distancia horizontal

x = vx·t = 13·6,531 = 84,88 m

Respuesta

x = 84,88 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 27,48 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) = √(0,7·9,81·110) = 27,48 m/s

Respuesta

vmax = 27,48 m/s (98,94 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 57,15 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 = 1,2·9,81 + 1,2·5,5²/0,8 = 11,77 + 45,37 = 57,15 N

Respuesta

T = 57,15 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 353,6 J

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).

Fuerza de rozamiento

N = mg·cos θ = 98,1·0,8192 = 80,36 N
F = μN = 0,4·80,36 = 32,14 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 32,14·11 = 353,6 J

Respuesta

Wf = 353,6 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: d = 3,534 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).

Energía del muelle

x = 10 cm = 0,1 m
½kx² = ½·2000·0,1² = 10 J

Balance de energía a lo largo de la rampa

m·g = 0,5·9,81 = 4,905 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 10/(4,905·(0,342 + 0,25·0,9397)) = 3,534 m

Respuesta

d = 3,534 m
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v = 499,6 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.

Oscilación tras el impacto

V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,09) = 1,329 m/s

Choque

m·v = (m + M)·V → v = (0,008 + 3)·1,329/0,008 = 499,6 m/s

Respuesta

v = 499,6 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 3300 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 = 0,55·(10 + 20) = 16,5 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 16,5/0,005 = 3300 N

Respuesta

Favg = 3300 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: α = 9,81 rad/s²

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.

Momentos respecto al pasador

En el instante de soltarla ω = 0, así que no hay aceleración centrípeta y el centro acelera directamente hacia abajo.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·1,5) = 9,81 rad/s²

Respuesta

α = 9,81 rad/s²
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: a = 1,693 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 15°/1,5 = 1,693 m/s²

Respuesta

a = 1,693 m/s²
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 392 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

960·125/300 = 400 rpm

Con deslizamiento

n2 = 400·0,98 = 392 rpm

Respuesta

n2 = 392 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 600 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 = 3000·32/48 = 2000 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 2000·18/60 = 600 rpm

Respuesta

nout = 600 rpm

relación total = 5 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: g = 11,21 m/s²

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.

Despeja g

g = 4π²·L/T² = 4π²·0,9/1,78² = 11,21 m/s²

Respuesta

g = 11,21 m/s²
18.Muelles y péndulos

Respuesta: K = 2,277 J

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.

Energía total

E = ½·k·A² = ½·460·0,18² = 7,452 J

Energía del muelle en x

U = ½·k·x² = ½·460·0,15² = 5,175 J

Energía cinética

K = 7,452 − 5,175 = 2,277 J

Respuesta

K = 2,277 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,08016

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 = (1/4)·ln(40/5,3) = 0,5053

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5053/√(39,48 + 0,2553) = 0,08016

Respuesta

ζ = 0,08016
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 9,319 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 + 10 = 40 kN/m
keq = 40·30/(40 + 30) = 17,14 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(17143/5) = 58,55 rad/s
fn = 58,55/(2π) = 9,319 Hz

Respuesta

fn = 9,319 Hz

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