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)2,315 s13,89

Un coche que circula a 50 km/h frena con una deceleración constante de 6 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 50 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 12 m/s30 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 12 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 = 12 m/sh₀ = 30 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
θ = 30°30 kgF = ?

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

m = 30 kgθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
F = N
4.Leyes de NewtonDifícil
7 kg9 kgTF = 110 Nμ = 0,15

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 110 N tira del bloque delantero de 9 kg; el bloque de 7 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,15 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración a de los bloques.

m1 = 7 kgm2 = 9 kgF = 110 Nμ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Tiro parabólicoMedia
8 my = ?v0​ = 10 m/s50°

Se chuta una pelota desde un terreno horizontal a 10 m/s y 50° por encima de la horizontal hacia una pared situada a 8 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura y pasa la pelota por la pared?

v₀ = 10 m/sθ = 50°x = 8 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 45 mv0​ = 34 m/s25°alcance

Se lanza una pelota a 25° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 45 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 34 m/sθ = 25°h = 45 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimiento circularMedia
θ = ?hacia el centro50 km/h

Un ingeniero de carreteras quiere que los coches tomen una curva de radio 250 m a 50 km/h sin depender del rozamiento. Usa g = 9,81 m/s². Halla el ángulo de peralte θ.

r = 250 mv = 50 km/hg = 9,81 m/s²
θ = °
8.Movimiento circularDifícil
r = 1,1 mv = 8,5 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 1,8 kg atada a una cuerda de 1,1 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 = 1,8 kgr = 1,1 mv = 8,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
80 km/h

Un coche que circula a 80 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 0,7. Halla la distancia de frenado d.

v = 80 km/hμ = 0,7g = 9,81 m/s²
d = m
10.Trabajo y energíaDifícil
4 kg2 kgμ = 0,2d = 1 m

Un bloque de 4 kg descansa sobre una mesa horizontal rugosa (μ = 0,2). Un hilo ligero va desde él, pasando por una polea lisa en el borde de la mesa, hasta un bloque colgante de 2 kg. El sistema se suelta desde el reposo. Halla la velocidad v de los bloques cuando el bloque colgante ha bajado 1 m.

m1 = 4 kgm2 = 2 kgμ = 0,2d = 1 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
0,5 kg2 m/s5 kg

Un deslizador de 0,5 kg que se mueve a 2 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 5 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′2 del segundo deslizador después del choque.

m1 = 0,5 kgm2 = 5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
8 m/s6 m/s

Una pelota de 0,6 kg golpea una pared a 8 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 6 m/s. El contacto dura 25 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,6 kgvin = 8 m/svout = 6 m/sΔt = 25 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
6,5 kgaαM = 17 kgR = 0,4 m

Un bloque de 6,5 kg cuelga de una cuerda ligera enrollada en una polea, un disco macizo uniforme de masa 17 kg y radio 0,4 m que gira sobre un eje horizontal sin rozamiento. El bloque se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la aceleración angular α de la polea.

m = 6,5 kgM = 17 kgR = 0,4 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
6,5 m/sω

Un cuerpo (esfera maciza) de masa 9 kg rueda sin deslizar a 6,5 m/s. Halla su energía cinética de rotación Erot.

m = 9 kgv = 6,5 m/sI = (2/5)·m·r²
Erot = J
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 125 mmd2​ = 315 mm1450 rpmT1​ = 600 NT2​ = 300 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 125 mm a 1450 rpm. La tensión es de 600 N en el ramal tenso y de 300 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 125 mmn1 = 1450 rpmT1 = 600 NT2 = 300 N
P = kW
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 20C = 48D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (12 dientes) del eje de entrada gira a 1450 rpm y acciona la rueda B (20 dientes). La rueda C (48 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 580 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 1450 rpmA = 12B = 20C = 48nout = 580 rpm
ND =
17.Muelles y péndulosMedia
t (s)x (cm)0,05 s

Una masa de 0,2 kg unida a un muelle con k = 400 N/m se desplaza 5 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su velocidad v en t = 0,05 s (con signo).

m = 0,2 kgk = 400 N/mA = 5 cmt = 0,05 s
v = m/s
18.Muelles y péndulosDifícil
1 kgk = 370 N/mA = 5 cm

Una masa de 1 kg unida a un muelle con k = 370 N/m se separa 5 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.

m = 1 kgk = 370 N/mA = 5 cm
E = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 8 kN/mζ = 0,5m = 15 kg

Una masa de 15 kg sobre un muelle con una rigidez de 8 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,5. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 15 kgk = 8 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 80m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 15 kN/m y el inferior k₂ = 80 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 50 kgk1 = 15 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 16,08 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 = 50/3,6 = 13,89 m/s

Distancia de frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 13,89²/(2·6) = 16,08 m

Respuesta

s = 16,08 m
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 37,34 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 = 12²/(2·9,81) = 7,339 m

Altura sobre el suelo

hmax = 30 + 7,339 = 37,34 m

Respuesta

hmax = 37,34 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: F = 210,9 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 = 147,1 + 63,72 = 210,9 N

Respuesta

F = 210,9 N
4.Leyes de Newton

Respuesta: a = 5,404 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.

Sistema completo

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (110 − 23,54)/16 = 5,404 m/s²

Respuesta

a = 5,404 m/s²
5.Tiro parabólico

Respuesta: y = 1,936 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 = 10·cos 50° = 6,428 m/s
t = x/vx = 8/6,428 = 1,245 s

Altura en ese instante

y = 7,66·1,245 − ½·9,81·1,245² = 1,936 m

Respuesta

y = 1,936 m

En la pared la pelota ya está bajando.

6.Tiro parabólico

Respuesta: t = 4,829 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 = 34·cos 25° = 30,81 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 25° = 14,37 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 45 + 14,37·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (14,37 + √(206,5 + 882,9))/9,81 = 4,829 s

Respuesta

t = 4,829 s
7.Movimiento circular

Respuesta: θ = 4,497 °

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.

Unidades

v = 50/3,6 = 13,89 m/s

Ángulo de peralte

tan θ = v²/(r·g) = 13,89²/(250·9,81) = 0,07865
θ = 4,497°

Respuesta

θ = 4,497°
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 135,9 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.

Fuerzas en el punto más bajo

Hacia el centro (hacia arriba) es positivo.

T − m·g = m·v²/r
T = 1,8·9,81 + 1,8·8,5²/1,1 = 17,66 + 118,2 = 135,9 N

Respuesta

T = 135,9 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: d = 35,96 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 = 80/3,6 = 22,22 m/s

Balance de energía

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 22,22²/(2·0,7·9,81) = 35,96 m

Respuesta

d = 35,96 m

Duplicar la velocidad cuadruplica la distancia de frenado.

10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 1,981 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 liberada y perdida

m₂g·d = 19,62·1 = 19,62 J
μ·m₁g·d = 0,2·39,24·1 = 7,848 J

Energía cinética de ambos bloques

½(m₁ + m₂)v² = 11,77 → v = √(2·11,77/6) = 1,981 m/s

Respuesta

v = 1,981 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′2 = 0,3636 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 = (0,5 − 5)/(0,5 + 5)·2 = −1,636 m/s
v′2 = 2·0,5/(0,5 + 5)·2 = 0,3636 m/s

Respuesta

v′2 = 0,3636 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 336 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·(6 + 8) = 8,4 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 8,4/0,025 = 336 N

Respuesta

Favg = 336 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: α = 10,63 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.

Bloque y polea

bloque: m·g − T = m·a
polea: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Aceleración

a = m·g/(m + M/2) = 6,5·9,81/(6,5 + 8,5) = 4,251 m/s²

Aceleración angular

α = a/R = 4,251/0,4 = 10,63 rad/s²

Respuesta

α = 10,63 rad/s²
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: Erot = 76,05 J

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.

Partes de traslación y de rotación

Etrans = ½·m·v² = ½·9·6,5² = 190,1 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,4·m·r²·(v/r)² = 0,4·190,1 = 76,05 J

Respuesta

Erot = 76,05 J
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,847 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 = 9,49 m/s

Potencia

P = (600 − 300)·9,49 = 2847 W = 2,847 kW

Respuesta

P = 2,847 kW
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 72

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 del eje intermedio

nB = nC = 1450·12/20 = 870 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 48·870/580 = 72

Respuesta

ND = 72
17.Muelles y péndulos

Respuesta: v = −1,759 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 = √(400/0,2) = 44,72 rad/s
ω·t = 44,72·0,05 = 2,236 rad

Velocidad

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0,05·44,72·sin(2,236) = −1,759 m/s

Respuesta

v = −1,759 m/s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: E = 0,4625 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.

Frecuencia angular

ω = √(370/1) = 19,24 rad/s

Energía

E = ½·k·A² = ½·370·0,05² = 0,4625 J

Respuesta

E = 0,4625 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 3,183 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 = √(8000/15) = 23,09 rad/s
fn = 23,09/(2π) = 3,676 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,676·√(1 − 0,5²) = 3,183 Hz

Respuesta

fd = 3,183 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,53 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 = 1/15 + 1/80 → keq = 15·80/(15 + 80) = 12,63 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(12632/50) = 15,89 rad/s
fn = 15,89/(2π) = 2,53 Hz

Respuesta

fn = 2,53 Hz

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