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)2,5 s10

Un coche que circula a 36 km/h frena con una deceleración constante de 4 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia de frenado s.

v₀ = 36 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
t (s)v (m/s)8 s

Un tranvía parte del reposo y acelera a 1,5 m/s² durante 8 s, después circula a velocidad constante durante 11 s y por último frena a 2,5 m/s² hasta detenerse. Halla la distancia total s entre las dos paradas.

a1 = 1,5 m/s²t1 = 8 st2 = 11 sa3 = −2,5 m/s²
s = m
3.Leyes de NewtonMedia
cajav₀ = 8,5 m/sμ = ?

Una caja desliza por un suelo horizontal con una velocidad inicial de 8,5 m/s y se detiene tras 15 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla el coeficiente de rozamiento dinámico μ.

v₀ = 8,5 m/sd = 15 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leyes de NewtonDifícil
11 kg1 kgTF = 100 Nμ = 0,3

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 100 N tira del bloque delantero de 1 kg; el bloque de 11 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T del hilo de unión.

m1 = 11 kgm2 = 1 kgF = 100 Nμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
35 my = ?v0​ = 24 m/s40°

Se chuta una pelota desde un terreno horizontal a 24 m/s y 40° por encima de la horizontal hacia una pared situada a 35 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura y pasa la pelota por la pared?

v₀ = 24 m/sθ = 40°x = 35 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 15 mv0​ = 32 m/s40°alcance

Se lanza una pelota a 40° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 15 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 32 m/sθ = 40°h = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimiento circularMedia
θ = ?hacia el centro100 km/h

Un ingeniero de carreteras quiere que los coches tomen una curva de radio 350 m a 100 km/h sin depender del rozamiento. Usa g = 9,81 m/s². Halla el ángulo de peralte θ.

r = 350 mv = 100 km/hg = 9,81 m/s²
θ = °
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,6 mv = ?

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola atada a una cuerda de 0,6 m. Usa g = 9,81 m/s². ¿Cuál es la velocidad mínima vmin en el punto más alto para que la cuerda siga justo tensa?

r = 0,6 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabajo y energíaMedia
50°L = 0,5 m2 kg

Una bola de 2 kg cuelga de un hilo ligero de longitud 0,5 m. Se separa hasta que el hilo forma 50° 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 = 2 kgL = 0,5 mθ = 50°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Trabajo y energíaDifícil
h = 2,5 mL = 3 mμ = 0,1k = 5000 N/m

Se suelta desde el reposo un bloque de 2,5 kg a una altura de 2,5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 3 m (μ = 0,1) y después choca contra un muelle (k = 5000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.

m = 2,5 kgh = 2,5 mL = 3 mμ = 0,1k = 5000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
2,5 kg2 m/s4 kg

Un deslizador de 2,5 kg que se mueve a 2 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 4 kg en reposo sobre un carril sin rozamiento. Halla la velocidad v′1 del primer deslizador después del choque (positiva en su sentido inicial).

m1 = 2,5 kgm2 = 4 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
30 m/s6 m/s

Una pelota de 0,55 kg golpea una pared a 30 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 6 m/s. El contacto dura 5 ms. Halla la fuerza media Favg que ejerce la pared sobre la pelota.

m = 0,55 kgvin = 30 m/svout = 6 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.Rotación del sólido rígidoMedia
L = 1,3 mm = 10,5 kgα

Una barra esbelta uniforme de masa 10,5 kg y longitud 1,3 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 = 10,5 kgL = 1,3 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
0,75 m0,3 mn1​ = 30 rpm

Una persona está de pie sobre un plato giratorio sin rozamiento y sostiene una pesa de 5 kg en cada mano, a 0,75 m del eje. La persona y el plato solos tienen un momento de inercia de 4,5 kg·m² respecto al eje. Giran a 30 rpm y luego acercan las pesas hasta 0,3 m del eje. Trata las pesas como masas puntuales. Halla la nueva velocidad n2 en rpm.

I0 = 4,5 kg·m²m = 2 × 5 kgr1 = 0,75 mr2 = 0,3 mn1 = 30 rpm
n2 = rpm
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 24N2​ = 40

Un motor de 1,5 kW que gira a 1440 rpm acciona un piñón de 24 dientes, que engrana con una rueda de 40 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 1,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 24N2 = 40η = 100%
T1 = N·m
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 120 mmd2​ = 315 mm1500 rpmC = 500 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 120 mm y una polea de 315 mm cuyos centros están separados 500 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 120 mmd2 = 315 mmC = 500 mm
θ = °
17.Muelles y péndulosMedia
0,9 kgk = 210 N/mA = 20 cmx = 7 cm

Una masa de 0,9 kg unida a un muelle con k = 210 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 20 cm. Halla su velocidad v cuando está a 7 cm del equilibrio.

m = 0,9 kgk = 210 N/mA = 20 cmx = 7 cm
v = m/s
18.Muelles y péndulosDifícil
2 kgk = 130 N/mA = 7 cm

Una masa de 2 kg unida a un muelle con k = 130 N/m se separa 7 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.

m = 2 kgk = 130 N/mA = 7 cm
vmax = m/s
19.Vibraciones mecánicasMedia
k = 15 kN/mζ = 0,5m = 10 kg

Una masa de 10 kg sobre un muelle con una rigidez de 15 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 = 10 kgk = 15 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 50m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 10 kN/m y el inferior k₂ = 50 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 40 kgk1 = 10 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: s = 12,5 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 frenado

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·4) = 12,5 m

Respuesta

s = 12,5 m
2.Cinemática

Respuesta: s = 208,8 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.

Velocidad máxima

v = a1·t1 = 1,5·8 = 12 m/s

Distancia de cada fase

s1 = ½·1,5·8² = 48 m
s2 = 12·11 = 132 m
s3 = 12²/(2·2,5) = 28,8 m

Distancia total

s = 48 + 132 + 28,8 = 208,8 m

Respuesta

s = 208,8 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: μ = 0,2455

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

a = v₀²/(2d) = 8,5²/(2·15) = 2,408 m/s²

Coeficiente de rozamiento

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2,408/9,81 = 0,2455

Respuesta

μ = 0,2455
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 91,67 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.

Sistema completo

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (100 − 35,32)/12 = 5,39 m/s²

Bloque trasero por separado

T = m1·(a + μ·g) = 11·(5,39 + 2,943) = 91,67 N

Respuesta

T = 91,67 N

Con el mismo μ en ambos bloques, el rozamiento desaparece: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Tiro parabólico

Respuesta: y = 11,59 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 = 24·cos 40° = 18,39 m/s
t = x/vx = 35/18,39 = 1,904 s

Altura en ese instante

y = 15,43·1,904 − ½·9,81·1,904² = 11,59 m

Respuesta

y = 11,59 m

En la pared la pelota ya está bajando.

6.Tiro parabólico

Respuesta: t = 4,827 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 = 32·cos 40° = 24,51 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 40° = 20,57 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 15 + 20,57·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (20,57 + √(423,1 + 294,3))/9,81 = 4,827 s

Respuesta

t = 4,827 s
7.Movimiento circular

Respuesta: θ = 12,67 °

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 = 100/3,6 = 27,78 m/s

Ángulo de peralte

tan θ = v²/(r·g) = 27,78²/(350·9,81) = 0,2247
θ = 12,67°

Respuesta

θ = 12,67°
8.Movimiento circular

Respuesta: vmin = 2,426 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.

Tensión nula en el punto más alto

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·0,6) = 2,426 m/s

Respuesta

vmin = 2,426 m/s
9.Trabajo y energía

Respuesta: T = 33,64 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) = 2·9,81·0,5·(1 − cos 50°) = 3,504 m²/s²

Fuerzas abajo

m·g = 2·9,81 = 19,62 N
T = mg + mv²/L = 19,62 + 2·3,504/0,5 = 33,64 N

Respuesta

T = 33,64 N

Comprobación: T = mg(3 − 2cos θ) = 33,64 N.

10.Trabajo y energía

Respuesta: x = 14,69 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 = 24,53·(2,5 − 0,1·3) = 53,96 J

Compresión máxima

½kx² = 53,96 → x = √(2·53,96/5000) = 0,1469 m = 14,69 cm

Respuesta

x = 14,69 cm
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = −0,4615 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 = (2,5 − 4)/(2,5 + 4)·2 = −0,4615 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 4)·2 = 1,538 m/s

Respuesta

v′1 = −0,4615 m/s

El signo menos significa que el primer deslizador rebota hacia atrás.

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: Favg = 3960 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·(6 + 30) = 19,8 N·s

Fuerza media

Favg = J/Δt = 19,8/0,005 = 3960 N

Respuesta

Favg = 3960 N
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: α = 11,32 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/(2·1,3) = 11,32 rad/s²

Respuesta

α = 11,32 rad/s²
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: n2 = 56,25 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 = 4,5 + 2·5·0,75² = 10,13 kg·m²
I2 = 4,5 + 2·5·0,3² = 5,4 kg·m²

Conservación del momento angular

n2 = n1·I1/I2 = 30·10,13/5,4 = 56,25 rpm

Respuesta

n2 = 56,25 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: T1 = 9,947 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/150,8 = 9,947 N·m

Respuesta

T1 = 9,947 N·m
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 157,5 °

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(0,195) = 11,24°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·11,24 = 157,5°

Respuesta

θ = 157,5°
17.Muelles y péndulos

Respuesta: v = 2,862 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 = √(210/0,9) = 15,28 rad/s

Velocidad en x

v = ω·√(A² − x²) = 15,28·√(0,2² − 0,07²) = 2,862 m/s

Respuesta

v = 2,862 m/s
18.Muelles y péndulos

Respuesta: vmax = 0,5644 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 = √(130/2) = 8,062 rad/s

Velocidad máxima

vmax = A·ω = 0,07·8,062 = 0,5644 m/s

Respuesta

vmax = 0,5644 m/s
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 5,338 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 = √(15000/10) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,164·√(1 − 0,5²) = 5,338 Hz

Respuesta

fd = 5,338 Hz
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,297 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 = 1/10 + 1/50 → keq = 10·50/(10 + 50) = 8,333 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(8333/40) = 14,43 rad/s
fn = 14,43/(2π) = 2,297 Hz

Respuesta

fn = 2,297 Hz

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