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
a = ?s = 2100 m

Un avión necesita una velocidad de 240 km/h para despegar y la pista útil mide 2100 m. Partiendo del reposo, ¿qué aceleración constante a necesita?

v₀ = 0v = 240 km/hs = 2100 m
a = m/s²
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 20 m/s15 m

Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba a 20 m/s desde el borde de un tejado situado a 15 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 = 20 m/sh₀ = 15 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leyes de NewtonMedia
cajav₀ = 9,5 m/sμ = ?

Una caja desliza por un suelo horizontal con una velocidad inicial de 9,5 m/s y se detiene tras 31 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla el coeficiente de rozamiento dinámico μ.

v₀ = 9,5 m/sd = 31 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leyes de NewtonDifícil
3 kg9 kgTF = 105 Nμ = 0,2

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 105 N tira del bloque delantero de 9 kg; el bloque de 3 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,2 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T del hilo de unión.

m1 = 3 kgm2 = 9 kgF = 105 Nμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 30 m/sθ = ?R = 60 m

Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 30 m/s y debe caer a 60 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla el menor de los dos ángulos de lanzamiento posibles θ.

v₀ = 30 m/sR = 60 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 60 mv0​ = 28 m/s50°alcance

Se lanza una pelota a 50° sobre la horizontal desde lo alto de un acantilado de 60 m. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 28 m/sθ = 50°h = 60 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimiento circularMedia
r = 70 mvmax​ = ?

Un coche pasa por la cima de un cambio de rasante, que es un arco de circunferencia de radio 70 m. Usa g = 9,81 m/s². ¿Por encima de qué velocidad vmax las ruedas se separan de la carretera en la cima?

r = 70 mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
r = 0,5 mv = 7 m/s

Se hace girar en una circunferencia vertical una bola de 0,6 kg atada a una cuerda de 0,5 m. En el punto más bajo se mueve a 7 m/s. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T de la cuerda en el punto más bajo.

m = 0,6 kgr = 0,5 mv = 7 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabajo y energíaMedia
20°d = 15 mμ = 0,1

Un bloque de 2 kg desliza 15 m por una rampa inclinada 20° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,1. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 2 kgθ = 20°μ = 0,1d = 15 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
k = 2000 N/m30°μ = 0,10,5 kg

Un muelle de rigidez 2000 N/m situado al pie de una pendiente de 30° se comprime 15 cm contra un bloque de 0,5 kg y se suelta. El coeficiente de rozamiento dinámico entre el bloque y la pendiente es 0,1. ¿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 = 15 cmθ = 30°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
d = m
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
4,5 kg7 m/s2,5 kg

Un deslizador de 4,5 kg que se mueve a 7 m/s choca frontalmente, de forma perfectamente elástica, con un deslizador de 2,5 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 = 4,5 kgm2 = 2,5 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
23 m/s19 m/s

Una pelota de 0,3 kg golpea una pared a 23 m/s y rebota en línea recta hacia atrás a 19 m/s. El contacto dura 5 ms. Halla el módulo del impulso J que la pared ejerce sobre la pelota.

m = 0,3 kgvin = 23 m/svout = 19 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
n = 900 rpmT = 930 N·m

Un motor entrega un par de 930 N·m a 900 rpm. Halla su potencia de salida P en kW.

T = 930 N·mn = 900 rpm
P = kW
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 40°vs = 2 m

Un cuerpo (cilindro macizo) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 40° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Halla su velocidad v después de haber rodado 2 m a lo largo de la pendiente.

θ = 40°s = 2 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm960 rpmn2​ = ?

Una polea de 120 mm a 960 rpm acciona una polea de 500 mm mediante una correa con un 1,5 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 960 rpmd1 = 120 mmd2 = 500 mms = 1,5 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 500 mm1450 rpmC = 500 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 100 mm a 1450 rpm con una polea de 500 mm; los centros están separados 500 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,35 y la tensión del ramal tenso no puede superar 500 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 100 mmn1 = 1450 rpmd2 = 500 mmC = 500 mmμ = 0,35T1 = 500 N
P = kW
17.Muelles y péndulosMedia
L = ?

¿Qué longitud debe tener un péndulo simple para que su periodo sea de 2,9 s? Usa g = 9,81 m/s². Halla L.

T = 2,9 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Muelles y péndulosDifícil
1,4 kgk = 150 N/m

Una masa de 1,4 kg se une al extremo inferior de un muelle vertical sin estirar con k = 150 N/m y se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla el alargamiento máximo xmax del muelle en cm.

m = 1,4 kgk = 150 N/mg = 9,81 m/s²
xmax = cm
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx25 mm2 ciclos3,7 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 25 mm le sigue 2 ciclos después un pico de 3,7 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 25 mmx2 = 3,7 mmn = 2
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 40k3​ = 5m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga del muelle k₃ = 5 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 50 kN/m y k₂ = 40 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 = 100 kgk1 = 50 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: a = 1,058 m/s²

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

v = 240/3,6 = 66,67 m/s

Aceleración

a = v²/(2s) = 66,67²/(2·2100) = 1,058 m/s²

Respuesta

a = 1,058 m/s²
2.Cinemática

Respuesta: hmax = 35,39 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 = 20²/(2·9,81) = 20,39 m

Altura sobre el suelo

hmax = 15 + 20,39 = 35,39 m

Respuesta

hmax = 35,39 m
3.Leyes de Newton

Respuesta: μ = 0,1484

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) = 9,5²/(2·31) = 1,456 m/s²

Coeficiente de rozamiento

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,456/9,81 = 0,1484

Respuesta

μ = 0,1484
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 26,25 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) = (105 − 23,54)/12 = 6,788 m/s²

Bloque trasero por separado

T = m1·(a + μ·g) = 3·(6,788 + 1,962) = 26,25 N

Respuesta

T = 26,25 N

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

5.Tiro parabólico

Respuesta: θ = 20,42 °

Tiro parabólico: sin resistencia del aire, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². Las dos direcciones son independientes, salvo que comparten el mismo tiempo.

Fórmula del alcance

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·60/30² = 0,654

Ángulo

2θ = 40,84° → θ = 20,42°

Respuesta

θ = 20,42°

La otra solución es 90° − θ = 69,58°.

6.Tiro parabólico

Respuesta: t = 6,311 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 = 28·cos 50° = 18 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 50° = 21,45 m/s

Tiempo de vuelo

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

0 = 60 + 21,45·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (21,45 + √(460,1 + 1177))/9,81 = 6,311 s

Respuesta

t = 6,311 s
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 26,2 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.

Fuerza normal nula

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·70) = 26,2 m/s

Respuesta

vmax = 26,2 m/s
(94,34 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: T = 64,69 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 = 0,6·9,81 + 0,6·7²/0,5 = 5,886 + 58,8 = 64,69 N

Respuesta

T = 64,69 N
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 27,66 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 = 19,62·0,9397 = 18,44 N
F = μN = 0,1·18,44 = 1,844 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 1,844·15 = 27,66 J

Respuesta

Wf = 27,66 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: d = 7,82 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 = 15 cm = 0,15 m
½kx² = ½·2000·0,15² = 22,5 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 = 22,5/(4,905·(0,5 + 0,1·0,866)) = 7,82 m

Respuesta

d = 7,82 m
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′1 = 2 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 = (4,5 − 2,5)/(4,5 + 2,5)·7 = 2 m/s
v′2 = 2·4,5/(4,5 + 2,5)·7 = 9 m/s

Respuesta

v′1 = 2 m/s
12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: J = 12,6 N·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.

Variación de la cantidad de movimiento

J = m·Δv = 0,3·(19 + 23) = 12,6 N·s

Respuesta

J = 12,6 N·s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: P = 87,65 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·900/60 = 94,25 rad/s

Potencia

P = T·ω = 930·94,25 = 87650 W = 87,65 kW

Respuesta

P = 87,65 kW
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 4,101 m/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.

Altura descendida

h = s·sin θ = 2·sin 40° = 1,286 m

Balance de energía con rodadura

Rodadura sin deslizamiento: ω = v/r, y el rozamiento no realiza trabajo en el punto de contacto.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0,5)
v = √(2·9,81·1,286/1,5) = 4,101 m/s

Respuesta

v = 4,101 m/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 226,9 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

960·120/500 = 230,4 rpm

Con deslizamiento

n2 = 230,4·0,985 = 226,9 rpm

Respuesta

n2 = 226,9 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,11 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.

Ángulo de contacto

θ = 2,319 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,8115 = 2,251, T₂ = 500/2,251 = 222,1 N

Potencia

P = (500 − 222,1)·7,592 = 2,11 kW

Respuesta

P = 2,11 kW
17.Muelles y péndulos

Respuesta: L = 2,09 m

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 la longitud

L = g·(T/2π)² = 9,81·(2,9/2π)² = 2,09 m

Respuesta

L = 2,09 m
18.Muelles y péndulos

Respuesta: xmax = 18,31 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.

Equilibrio y amplitud

x₀ = m·g/k = 1,4·9,81/150 = 0,09156 m = A

Punto más bajo

xmax = 2A = 0,1831 m = 18,31 cm

Respuesta

xmax = 18,31 cm
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1503

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 = (1/2)·ln(25/3,7) = 0,9553

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9553/√(39,48 + 0,9125) = 0,1503

Respuesta

ζ = 0,1503
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 1,095 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 = 50 + 40 = 90 kN/m
keq = 90·5/(90 + 5) = 4,737 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(4737/100) = 6,882 rad/s
fn = 6,882/(2π) = 1,095 Hz

Respuesta

fn = 1,095 Hz

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