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 = 3 m/s²s = 600 m

Un avión parte del reposo y acelera uniformemente a 3 m/s² por una pista. Halla su velocidad v tras recorrer 600 m.

v₀ = 0a = 3 m/s²s = 600 m
v = m/s
2.CinemáticaDifícil
a = 40 m/s²

Un cohete de modelismo se lanza verticalmente hacia arriba desde el reposo. Su motor le da una aceleración constante hacia arriba de 40 m/s² durante 3 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 = 40 m/s²t1 = 3 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leyes de NewtonMedia
cajav₀ = 6 m/sμ = ?

Una caja desliza por un suelo horizontal con una velocidad inicial de 6 m/s y se detiene tras 12 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla el coeficiente de rozamiento dinámico μ.

v₀ = 6 m/sd = 12 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leyes de NewtonDifícil
11 kg8 kgTF = 50 Nμ = 0,1

Dos bloques sobre un suelo horizontal están unidos por un hilo ligero horizontal. Una fuerza horizontal de 50 N tira del bloque delantero de 8 kg; el bloque de 11 kg va remolcado detrás. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,1 para ambos bloques. Usa g = 9,81 m/s². Halla la tensión T del hilo de unión.

m1 = 11 kgm2 = 8 kgF = 50 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Tiro parabólicoMedia
v0​ = 34 m/s20°alcance

Se lanza una pelota a 20° sobre la horizontal desde el suelo llano. Desprecia la resistencia del aire. Halla el tiempo de vuelo t hasta que la pelota toca el suelo.

v0 = 34 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Tiro parabólicoDifícil
h = 20 mv0​ = 30 m/s45°H = ?

Se lanza una pelota a 30 m/s y 45° por encima de la horizontal desde lo alto de un acantilado de 20 m. Desprecia la resistencia del aire y usa g = 9,81 m/s². Halla la altura máxima H sobre el suelo al pie del acantilado.

v₀ = 30 m/sθ = 45°h = 20 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Movimiento circularMedia
r = 75 mvmax​ = ?

Un coche pasa por la cima de un cambio de rasante, que es un arco de circunferencia de radio 75 m. Usa g = 9,81 m/s². ¿Por encima de qué velocidad vmax las ruedas se separan de la carretera en la cima?

r = 75 mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimiento circularDifícil
R = 7 mh = ?

Una vagoneta pequeña se suelta desde el reposo sobre una pista sin rozamiento y entra en un rizo vertical de radio 7 m. ¿Desde qué altura mínima hmin sobre la parte inferior del rizo debe partir para no separarse de la pista en lo más alto del rizo?

R = 7 mv₀ = 0
hmin = m
9.Trabajo y energíaMedia
40°d = 10 mμ = 0,3

Un bloque de 4 kg desliza 10 m por una rampa inclinada 40° respecto a la horizontal, con un coeficiente de rozamiento dinámico de 0,3. Halla el trabajo Wf realizado contra el rozamiento.

m = 4 kgθ = 40°μ = 0,3d = 10 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabajo y energíaDifícil
F = 100 N15°μ = 0,1515 kg

Un bloque de 15 kg parte del reposo al pie de una pendiente de 15° y se tira de él pendiente arriba con una fuerza constante de 100 N paralela a la pendiente. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,15. Halla la velocidad v del bloque tras recorrer 10 m pendiente arriba.

m = 15 kgF = 100 Nθ = 15°μ = 0,15d = 10 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Cantidad de movimiento y choquesMedia
800 kg25 m/s1600 kg

Un coche de 800 kg que se mueve a 25 m/s choca con un coche parado de 1600 kg y ambos quedan unidos. ¿Qué porcentaje ΔK/K de la energía cinética inicial se pierde?

m1 = 800 kgv1 = 25 m/sm2 = 1600 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.Cantidad de movimiento y choquesDifícil
1400 kg25 m/s1400 kg8 m/sv′ = ?

En un cruce, un coche de 1400 kg que circula hacia el este a 25 m/s choca con un coche de 1400 kg que circula hacia el norte a 8 m/s. Los coches quedan unidos. Halla la velocidad v′ de los restos justo después del choque.

m1 = 1400 kgv1 = 25 m/s (E)m2 = 1400 kgv2 = 8 m/s (N)
v′ = m/s
13.Rotación del sólido rígidoMedia
6 kgaαM = 13,5 kgR = 0,25 m

Un bloque de 6 kg cuelga de una cuerda ligera enrollada en una polea, un disco macizo uniforme de masa 13,5 kg y radio 0,25 m que gira sobre un eje horizontal sin rozamiento. El bloque se suelta desde el reposo. Usa g = 9,81 m/s². Halla la velocidad v del bloque después de caer 1 m.

m = 6 kgM = 13,5 kgR = 0,25 mg = 9,81 m/s²h = 1 m
v = m/s
14.Rotación del sólido rígidoDifícil
θ = 20°vs = 6,5 m

Un cuerpo (cilindro macizo) parte del reposo y rueda sin deslizar por una pendiente inclinada 20° respecto a la horizontal. Usa g = 9,81 m/s². Su radio es 0,2 m. Halla su velocidad angular ω después de haber rodado 6,5 m a lo largo de la pendiente.

θ = 20°s = 6,5 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,2 m
ω = rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 120 mmd2​ = 200 mm1440 rpmn2​ = ?

Una polea de 120 mm a 1440 rpm acciona una polea de 200 mm mediante una correa con un 1 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1440 rpmd1 = 120 mmd2 = 200 mms = 1 %
n2 = rpm
16.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 32C = 36D = 45

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (16 dientes), en el eje de entrada que gira a 3000 rpm, acciona el engranaje B (32 dientes). El engranaje C (36 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (45 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 3000 rpmA = 16B = 32C = 36D = 45
nout = rpm
17.Muelles y péndulosMedia
L = 0,8 mT = 1,13 s

Una astronauta en otro planeta comprueba que un péndulo simple de 0,8 m de longitud tiene un periodo de 1,13 s para oscilaciones pequeñas. Halla la aceleración de la gravedad g en ese planeta.

L = 0,8 mT = 1,13 s
g = m/s²
18.Muelles y péndulosDifícil
0,2 kgk = 440 N/mA = 7 cm

Una masa de 0,2 kg unida a un muelle con k = 440 N/m se separa 7 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.

m = 0,2 kgk = 440 N/mA = 7 cm
E = J
19.Vibraciones mecánicasMedia
tx25 mm3 ciclos3,8 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 25 mm le sigue 3 ciclos después un pico de 3,8 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 25 mmx3 = 3,8 mmn = 3
ζ =
20.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 60m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 80 kN/m y k₂ = 60 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 20 kgk1 = 80 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Cinemática

Respuesta: v = 60 m/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.

Velocidad tras la distancia

v = √(2·a·s) = √(2·3·600) = 60 m/s

Respuesta

v = 60 m/s
(216 km/h)
2.Cinemática

Respuesta: t = 28,88 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 = 40·3 = 120 m/s
h₁ = ½·40·3² = 180 m

Vuelo libre hasta el suelo

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

t₂ = (120 + √(120² + 2·9,81·180))/9,81 = 25,88 s
t = 3 + 25,88 = 28,88 s

Respuesta

t = 28,88 s
3.Leyes de Newton

Respuesta: μ = 0,1529

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) = 6²/(2·12) = 1,5 m/s²

Coeficiente de rozamiento

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,5/9,81 = 0,1529

Respuesta

μ = 0,1529
4.Leyes de Newton

Respuesta: T = 28,95 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) = (50 − 18,64)/19 = 1,651 m/s²

Bloque trasero por separado

T = m1·(a + μ·g) = 11·(1,651 + 0,981) = 28,95 N

Respuesta

T = 28,95 N

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

5.Tiro parabólico

Respuesta: t = 2,371 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 20° = 31,95 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 20° = 11,63 m/s

Tiempo de vuelo

Sale y cae a la misma altura: t = 2vy/g.

t = 2·11,63/9,81 = 2,371 s

Respuesta

t = 2,371 s
6.Tiro parabólico

Respuesta: H = 42,94 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.

Velocidad vertical de lanzamiento

vy = 30·sin 45° = 21,21 m/s

Subida por encima del acantilado

Δh = vy²/(2g) = 21,21²/(2·9,81) = 22,94 m

Altura sobre el suelo

H = 20 + 22,94 = 42,94 m

Respuesta

H = 42,94 m
7.Movimiento circular

Respuesta: vmax = 27,12 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) = √(9,81·75) = 27,12 m/s

Respuesta

vmax = 27,12 m/s
(97,65 km/h)
8.Movimiento circular

Respuesta: hmin = 17,5 m

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.

Condición en lo más alto

m·g = m·v²/R → v² = g·R

Conservación de la energía

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2,5·R = 2,5·7 = 17,5 m

Respuesta

hmin = 17,5 m
9.Trabajo y energía

Respuesta: Wf = 90,18 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 = 39,24·0,766 = 30,06 N
F = μN = 0,3·30,06 = 9,018 N

Trabajo contra el rozamiento

Wf = F·d = 9,018·10 = 90,18 J

Respuesta

Wf = 90,18 J
10.Trabajo y energía

Respuesta: v = 7,357 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).

Fuerzas a lo largo de la rampa

m·g = 15·9,81 = 147,2 N
mg·sin θ = 38,09 N
μ·mg·cos θ = 21,32 N

Trabajo y energía

½mv² = (100 − 59,41)·10 = 405,9 J
v = √(2·405,9/15) = 7,357 m/s

Respuesta

v = 7,357 m/s
11.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: ΔK/K = 66,67 %

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) = 800·25/2400 = 8,333 m/s

Energía cinética antes y después

Kbefore = ½·800·25² = 250000 J
Kafter = ½·2400·8,333² = 83333 J

Fracción perdida

ΔK/K = 166667/250000 = 66,67 %

Respuesta

ΔK/K = 66,67 %

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

12.Cantidad de movimiento y choques

Respuesta: v′ = 13,12 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.

Componentes de la cantidad de movimiento

px = 1400·25 = 35000 kg·m/s
py = 1400·8 = 11200 kg·m/s

Velocidad de los restos

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 36748/2800 = 13,12 m/s

Respuesta

v′ = 13,12 m/s
13.Rotación del sólido rígido

Respuesta: v = 3,039 m/s

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) = 6·9,81/(6 + 6,75) = 4,616 m/s²

Velocidad tras la caída

v = √(2·a·h) = √(2·4,616·1) = 3,039 m/s

Respuesta

v = 3,039 m/s
14.Rotación del sólido rígido

Respuesta: ω = 26,96 rad/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 = 6,5·sin 20° = 2,223 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 = √(2·9,81·2,223/1,5) = 5,392 m/s
ω = v/r = 5,392/0,2 = 26,96 rad/s

Respuesta

ω = 26,96 rad/s
15.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 855,4 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

1440·120/200 = 864 rpm

Con deslizamiento

n2 = 864·0,99 = 855,4 rpm

Respuesta

n2 = 855,4 rpm
16.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 1200 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 = 3000·16/32 = 1500 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1500·36/45 = 1200 rpm

Respuesta

nout = 1200 rpm

relación total = 2,5 : 1

17.Muelles y péndulos

Respuesta: g = 24,73 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 = 4π²·0,8/1,13² = 24,73 m/s²

Respuesta

g = 24,73 m/s²
18.Muelles y péndulos

Respuesta: E = 1,078 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 = √(440/0,2) = 46,9 rad/s

Energía

E = ½·k·A² = ½·440·0,07² = 1,078 J

Respuesta

E = 1,078 J
19.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,09945

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 = (1/3)·ln(25/3,8) = 0,628

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,628/√(39,48 + 0,3943) = 0,09945

Respuesta

ζ = 0,09945
20.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 13,32 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 uno al lado del otro comparten la deformación y suman sus fuerzas, así que sus rigideces simplemente se suman: k = k1 + k2.

keq = 80 + 60 = 140 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(140000/20) = 83,67 rad/s
fn = 83,67/(2π) = 13,32 Hz

Respuesta

fn = 13,32 Hz

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