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1Fórmulas y métodos
Reacciones en vigas
Equilibrio
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Carga uniforme
resultante w·L en el centro de la carga
Momento
M = F·d
Método
Dibuja un diagrama de cuerpo libre y sustituye cada apoyo por sus reacciones.
Sustituye cada carga repartida por una única fuerza aplicada en su centroide.
Toma momentos respecto a un apoyo para hallar la reacción en el otro.
Usa ΣFy = 0 para hallar la reacción restante y compruébala con una segunda ecuación de momentos.
Tensión y deformación axial
Tensión normal
σ = F/A
Deformación
ε = ΔL/L
Ley de Hooke
σ = E·ε
Alargamiento
ΔL = FL/(EA)
Deformación térmica
εT = α·ΔT
Torsión de ejes
Tensión cortante
τ = T·r/J
Eje macizo
J = πd⁴/32
Eje hueco
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Ángulo de torsión
φ = TL/(GJ)
Potencia
P = T·ω = 2πnT/60
Método
Halla el momento polar de inercia: J = πd⁴/32 para un eje macizo.
Tensión tangencial en la superficie: τ = T·r/J, con r el radio exterior.
Ángulo de torsión: φ = TL/(GJ) en radianes.
Si te dan la potencia, halla primero el par con P = T·ω, ω = 2πn/60.
Cortante y momento flector
Cortante y momento
V = ΣF a un lado, M = ΣF·d a un lado
Tensión de flexión
σ = M·y/I
Rectángulo
I = bh³/12
Módulo resistente
W = I/ymax
Viga biapoyada, carga uniforme
Mmax = wL²/8
Método
Halla las reacciones en los apoyos a partir del equilibrio de toda la viga.
Corta la viga por la sección que necesitas y quédate con un lado.
Esfuerzo cortante: suma de las fuerzas verticales de ese lado. Momento flector: suma de sus momentos respecto al corte.
Para el momento máximo, busca dónde el esfuerzo cortante es cero.
Círculo de Mohr y transformación de tensiones
Centro
C = (σx + σy)/2
Radio
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tensiones principales
σ1,2 = C ± R
Dirección principal
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Plano inclinado
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ
Método
Calcula el centro del círculo de Mohr: C = (σx + σy)/2.
Calcula el radio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
Las tensiones principales son C ± R y la tensión tangencial máxima en el plano es R.
Los ángulos en el círculo son el doble que los ángulos en el elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).
Flecha de la viga
Carga puntual en el centro del vano
δ = PL³/(48EI)
Carga uniforme, viga biapoyada
δ = 5wL⁴/(384EI)
Voladizo, carga en el extremo
δ = PL³/(3EI)
Voladizo, carga uniforme
δ = wL⁴/(8EI)
Superposición
δ = δ1 + δ2
Pandeo de pilares
Carga crítica de Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Factor de longitud de pandeo
K = 1 articulado–articulado, 0,5 empotrado–empotrado, 0,7 empotrado–articulado, 2 empotrado–libre
Tensión crítica
σcr = Pcr/A
Esbeltez
λ = KL/r, r = √(I/A)
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
Descompón la velocidad de lanzamiento en componentes: vx = v₀·cos θ y vy = v₀·sin θ.
El movimiento horizontal tiene velocidad constante; el vertical tiene aceleración −g.
Halla el tiempo de vuelo a partir del movimiento vertical.
Usa ese tiempo en el movimiento horizontal para hallar el alcance.
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
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
Máquinas térmicas y frigoríficas
Rendimiento
η = W/QH = 1 − QC/QH
Rendimiento de Carnot
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP del frigorífico
COPR = QC/W
COP de la bomba de calor
COPHP = QH/W = COPR + 1
Balance de energía
QH = W + QC
Ciclos de potencia de gas
Isentrópico, relación de volúmenes
T2/T1 = rk−1
Isentrópico, relación de presiones
T2/T1 = rp(k−1)/k
Rendimiento del ciclo Otto
η = 1 − 1/rk−1
Rendimiento del ciclo Diesel
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
Rendimiento del ciclo Brayton
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
Calor aportado
Otto: cv(T3 − T2) Diesel, Brayton: cp(T3 − T2)
Trabajo neto del ciclo Brayton
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
Rendimientos isentrópicos
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
Aire frío
k = 1,4, cp = 1,005, cv = 0,718 kJ/(kg·K)
Continuidad y Bernoulli
Continuidad
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Caudal
Q = A·v
Área del círculo
A = πd²/4
Fricción en tuberías y pérdida de carga
Número de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Régimen de flujo
laminar por debajo de Re ≈ 2000, turbulento por encima de Re ≈ 4000
Velocidad media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Pérdidas localizadas
hm = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K
entrada 0,5, salida 1,0, codo de 90° ≈ 0,3
Caída de presión
Δp = ρ·g·hf
Dos depósitos abiertos
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Salida libre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Bombas y potencia de bombeo
Potencia hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potencia en el eje
Pshaft = Ph/ηpump
Potencia eléctrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Altura de la bomba
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Pérdidas del sistema
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Conducción de calor
Ley de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistencia de conducción
R = L/(kA)
Resistencia de convección
R = 1/(hA)
Resistencias en serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Transmitancia U
U = 1/(ΣR·A)
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
Error en régimen permanente y control PID
Tipo de sistema
número de polos de G(s) en s = 0
Constantes de error
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Escalón A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Objetivo de segundo orden
s² + 2ζωns + ωn²
Sobreimpulso y tiempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Método
Cuenta los polos del lazo abierto C(s)·G(s) en s = 0: ese es el tipo del sistema.
Calcula la constante de error que corresponde a la entrada: Kp para un escalón, Kv para una rampa, Ka para una parábola.
Aplica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, o despeja la ganancia que necesitas.
Para una especificación de amortiguamiento o de velocidad, escribe el polinomio característico de lazo cerrado e identifícalo con s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Problemas de práctica
1.Reacciones en vigasMedia
La viga tiene una articulación en A y un apoyo deslizante en B, a 7 m de A, y vuela más allá de B hasta el extremo libre C. Halla la reacción vertical RB, tomando positivo hacia arriba.
AB = 7 mAC = 10 mP1 = 10 kN en 4 mP2 = 50 kN en 10 m
RB = kN
2.Reacciones en vigasDifícil
La viga en voladizo está empotrada en el muro en A. Soporta una carga linealmente variable que es nula en el muro y crece hasta 20 kN/m en el extremo libre B, además de una carga puntual P a 4 m del muro. Halla el valor del momento de empotramiento MA en el muro.
L = 6 mw0 = 20 kN/mP = 75 kN en 4 m
MA = kN·m
3.Tensión y deformación axialMedia
Halla la deformación axial ε en la barra de acero, en microdeformaciones (µε = 10⁻⁶).
P = 40 kNd = 16 mmL = 3 mE = 200 GPa
ε = µε
4.Tensión y deformación axialDifícil
Un tramo de acero (diámetro 40 mm, longitud 400 mm, E = 200 GPa) y un tramo de aluminio (diámetro 50 mm, longitud 500 mm, E = 70 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 20 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.
tramo 1: acero, Ø40 mm, 400 mm, E = 200 GPatramo 2: aluminio, Ø50 mm, 500 mm, E = 70 GPaP = 20 kN
σ2 = MPa
5.Torsión de ejesMedia
Un eje macizo de acero está empotrado en la pared y se tuerce con un par T en su extremo libre. Halla el ángulo de torsión φ del extremo libre, en grados.
T = 250 N·md = 50 mmL = 2 mG = 80 GPa
φ = °
6.Torsión de ejesDifícil
Un eje macizo debe transmitir 100 kW a 500 rpm sin que la tensión cortante supere 60 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.
P = 100 kWN = 500 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
7.Cortante y momento flectorMedia
Halla el esfuerzo cortante Vx en la sección x = 7 m desde el apoyo A. Toma positivos los momentos que flexionan la viga hacia abajo y el cortante hacia arriba en la cara izquierda.
L = 10 mw = 10 kN/m de 0 a 10 mx = 7 m
Vx = kN
8.Cortante y momento flectorDifícil
La viga simplemente apoyada soporta una carga uniformemente repartida sobre parte de su luz. Halla el momento flector máximo Mmax en la viga.
L = 4 mw = 24 kN/m de 1 a 4 m
Mmax = kN·m
9.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
En un punto σₓ = 90 MPa y σᵧ = 30 MPa. ¿Hasta qué valor τxy (en valor absoluto) puede llegar la tensión cortante antes de que la tensión principal mayor alcance 115 MPa?
σx = 90 MPaσy = 30 MPaσ1 = 115 MPa
τxy = MPa
10.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
Un eje macizo de 40 mm de diámetro soporta un momento flector de 1500 N·m junto con un par de 1000 N·m. En la superficie superior, donde la tensión de flexión es de tracción y máxima, halla la tensión principal mayor σ1.
d = 40 mmM = 1500 N·mT = 1000 N·m
σ1 = MPa
11.Flecha de la vigaMedia
Una viga simplemente apoyada soporta una carga uniformemente repartida w en toda su luz. Halla la flecha máxima δmax, en el centro del vano.
w = 12 kN/mL = 4 mE = 200 GPa (acero)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
12.Flecha de la vigaDifícil
Una viga simplemente apoyada soporta una carga uniformemente repartida w. Su flecha no puede superar luz/360. Halla el momento de inercia mínimo Ireq que cumple este límite.
w = 2 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (aluminio)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
13.Pandeo de pilaresMedia
Un pilar de longitud L de acero está empotrado en la base y articulado arriba. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.
L = 3 mE = 200 GPa (acero)d = 20 mm
Pcr = kN
14.Pandeo de pilaresDifícil
Un pilar de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.
L = 2,5 mE = 200 GPa (acero)d = 40 mm
σcr = MPa
15.Tiro parabólicoMedia
Se lanza una pelota desde un terreno horizontal a 26 m/s y debe caer a 45 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 = 26 m/sR = 45 mg = 9,81 m/s²
θ = °
16.Tiro parabólicoDifícil
Se lanza una pelota a 27 m/s y 30° por encima de la horizontal desde lo alto de un acantilado de 50 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 = 27 m/sθ = 30°h = 50 mg = 9,81 m/s²
H = m
17.Trabajo y energíaMedia
Un coche de 1800 kg sube por una pendiente de 5° a 90 km/h constantes. La resistencia del aire y la resistencia a la rodadura suman en total 650 N. Halla la potencia P que deben entregar las ruedas, en kW.
Se suelta desde el reposo un bloque de 4 kg a una altura de 1,5 m en una rampa lisa. Abajo cruza una franja horizontal rugosa de 1,5 m (μ = 0,25) y después choca contra un muelle (k = 4000 N/m) sobre una superficie lisa. Halla la compresión máxima x del muelle.
m = 4 kgh = 1,5 mL = 1,5 mμ = 0,25k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
19.Vibraciones mecánicasMedia
Una masa de 20 kg sobre un muelle con una rigidez de 10 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,6. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.
m = 20 kgk = 10 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
20.Vibraciones mecánicasDifícil
Una masa de 25 kg cuelga del muelle k₃ = 25 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 12 kN/m y k₂ = 30 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 = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz
21.Máquinas térmicas y frigoríficasMedia
Una máquina térmica funciona entre un foco caliente a 700 °C y un foco frío a 10 °C. Halla el máximo rendimiento térmico posible ηmax.
TH = 700 °CTL = 10 °C
ηmax = %
22.Máquinas térmicas y frigoríficasDifícil
Dos máquinas de Carnot trabajan en serie. La máquina A recibe calor de un foco a 650 °C y cede calor a un foco intermedio a la temperatura Tm. La máquina B toma todo ese calor y cede calor a un foco a 20 °C. Ambas máquinas tienen el mismo rendimiento térmico. Halla Tm en °C.
TH = 650 °CTL = 20 °C
Tm = °C
23.Ciclos de potencia de gasMedia
Un ciclo Diesel ideal tiene una relación de compresión r = 20 y una relación de corte rc = v₃/v₂ = 2. Al comienzo de la compresión el aire está a 300 K. Usa las hipótesis de aire estándar frío: el aire es un gas ideal con calores específicos constantes, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) y cv = 0,718 kJ/(kg·K). Halla el calor aportado qin por kilogramo de aire, en kJ/kg.
r = 20rc = 2T1 = 300 Kk = 1,4cp = 1,005 kJ/(kg·K)
qin = kJ/kg
24.Ciclos de potencia de gasDifícil
Un ciclo Brayton ideal funciona con una relación de presiones en el compresor de 18. Usa las hipótesis de aire estándar frío: el aire es un gas ideal con calores específicos constantes, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) y cv = 0,718 kJ/(kg·K). Halla su rendimiento térmico η en porcentaje.
rp = 18k = 1,4
η = %
25.Continuidad y BernoulliMedia
Por un venturímetro horizontal con un diámetro de entrada de 150 mm y un diámetro de garganta de 100 mm circula agua. La presión en la entrada es 58 kPa mayor que en la garganta. Despreciando las pérdidas, halla el caudal Q.
El agua sube por una tubería que se estrecha de 150 mm a 75 mm mientras asciende 4 m. En la sección 1 la presión es 200 kPa y la velocidad 2 m/s. Sin pérdidas, halla la presión p2 en la sección 2.
Agua circula con una velocidad media de 1,1 m/s por una tubería de 200 m de longitud y 100 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,02 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.
Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,018. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 10) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué diferencia de nivel de agua Δz entre los depósitos da un caudal de 75 L/s?
Una bomba impulsa 15 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 42 m. El rendimiento de la bomba es del 70 % y el motor eléctrico que la acciona tiene un rendimiento del 92 %. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia eléctrica Pel que absorbe el motor, en kW.
Una bomba impulsa 60 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 7 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,022; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 78 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.
Un muro está formado por 250 mm de madera y 150 mm de ladrillo, con un área de 8 m². Las caras exteriores están a 22 °C y -6 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.
L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 22 °CT3 = -6 °C
Q̇ = W
32.Conducción de calorDifícil
Un muro de 100 mm de placa de yeso y 100 mm de vidrio separa una habitación a 20 °C del aire exterior a 2 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 30 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 4 m². Halla la pérdida de calor Q̇ a través del muro.
L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 2 °C
Q̇ = W
33.Engranajes y trenes de engranajesMedia
Un motor de 1,5 kW a 1450 rpm acciona un tornillo sinfín de 4 entrada(s). La rueda tiene 45 dientes y la transmisión tiene un rendimiento del 70 %. Halla el par de salida Tw en el eje de la rueda.
z = 4Nw = 45n = 1450 rpmP = 1,5 kWη = 70%
Tw = N·m
34.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
Una correa abierta conecta una polea motriz de 160 mm a 1440 rpm con una polea de 500 mm; los centros están separados 600 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,25 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).
F(s) = (s + 30)/(s² + 8s + 12). Su transformada inversa tiene la forma f(t) = A·e−2t + B·e−6t. Halla el coeficiente A por fracciones parciales.
F(s) = (s + 30)/(s² + 8s + 12)
A =
36.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 7y′ + 6y = 3u′ + 8u, con entrada u(t) y salida y(t). Halla su función de transferencia G(s) = Y(s)/U(s) (condiciones iniciales nulas) y evalúa la respuesta al impulso g(t) en t = 0,2 s. Halla g(0,2).
y″ + 7y′ + 6y = 3u′ + 8ut = 0,2 s
g(0.2) =
37.Diagramas de bloquesMedia
Una planta G(s) = 5/(s + 10) se controla en un lazo de realimentación negativa cuyo sensor tiene ganancia H = 0,25. Se aplica un escalón de tamaño 5 en R. Halla la salida en régimen estacionario css.
G(s) = 5/(s + 10)H = 0,25R = 5
css =
38.Diagramas de bloquesDifícil
Un controlador proporcional K gobierna la planta G(s) = 10/(s + 7) en un lazo de realimentación negativa unitaria. Un escalón de perturbación de tamaño 10 entra a la entrada de la planta con R = 0. Halla la menor ganancia K que mantiene la salida en régimen estacionario en 0,7143 o menos.
G(s) = 10/(s + 7)D = 10css ≤ 0,7143
K =
39.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 90/(s² + 8s + 30) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 90/(s² + 8s + 30)
ts = s
40.Respuesta al escalónDifícil
Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 45/(s(s + 5)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 45/(s(s + 5))
ts = s
41.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Se aplica la entrada parabólica r(t) = 1·t²/2 a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 20(s + 3)/(s²(s + 4)). Halla el error en régimen permanente ess.
G(s) = 20(s + 3)/(s²(s + 4))r(t) = 1·t²/2
ess =
42.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador PI C(s) = 1 + 2/s controla la planta G(s) = 4/((s + 4)(s + 5)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el error en régimen permanente ess para la entrada en rampa r(t) = 2t.
C(s) = 1 + 2/sG(s) = 4/((s + 4)(s + 5))r(t) = 2t
ess =
3Disoluciones
1.Reacciones en vigas
Respuesta: RB = 77,14 kN
Equilibrio estático: un cuerpo en reposo cumple ΣFx = 0, ΣFy = 0 y ΣM = 0 respecto a cualquier punto. Sustituye cada carga repartida por su resultante (su área) aplicada en el centroide del diagrama de carga, y toma momentos respecto a un apoyo para eliminar la reacción de ese apoyo de la ecuación.
Momentos respecto a A
Antihorario positivo.
ΣMA = 0: RB·7 = 10·4 + 50·10
RB = 540/7 = 77,14 kN
Equilibrio vertical
RA = 10 + 50 − 77,14 = −17,14 kN
Respuesta
RB = 77,14 kN
RA es negativa: la articulación en A tiene que sujetar la viga hacia abajo.
2.Reacciones en vigas
Respuesta: MA = 540 kN·m
Equilibrio de un voladizo: un empotramiento puede empujar hacia arriba y además impedir el giro, así que da una reacción vertical RA y un momento de empotramiento MA. ΣFy = 0 da RA, y los momentos respecto al muro dan MA = Σ(carga × distancia al muro). Una carga repartida actúa como su resultante en el centroide del diagrama de carga.
Resultante de la carga triangular
W = ½·20·6 = 60 kN
x̄ = 2L/3 = 4 m
Momento respecto al muro
MA = W·x̄ + P·a = 60·4 + 75·4 = 540 kN·m
Respuesta
MA = 540 kN·m
3.Tensión y deformación axial
Respuesta: ε = 994,7 µε
Ley de Hooke: en el rango elástico σ = E·ε. Junto con σ = P/A y ε = δ/L se obtiene δ = PL/(AE).
Tensión
A = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 40·1000/201,1 = 198,9 MPa
Deformación (ley de Hooke)
E for acero = 200 GPa = 200000 MPa.
ε = σ/E = 198,9/200000 = 0,0009947 = 994,7 µε
Respuesta
ε = 994,7 µε
4.Tensión y deformación axial
Respuesta: σ2 = 3,1 MPa
Dos materiales: en serie (uno tras otro) cada tramo soporta la misma fuerza y los alargamientos se suman: δ = P·Σ L/(E·A). En paralelo (lado a lado entre placas rígidas) ambas partes se acortan lo mismo, así que sus deformaciones unitarias son iguales: la parte más rígida toma la mayor porción, Pi = P·EiAi/ΣEA, y σi = Ei·ε. Una barra sujeta entre dos muros rígidos con una carga en la unión es estáticamente indeterminada: los dos tramos se reparten la carga en proporción a su rigidez k = EA/L.
Rigideces
k₁ = 200000·1257/400 = 628319 N/mm
k₂ = 70000·1963/500 = 274889 N/mm
Parte del tramo 2
F2 = 20000·274889/903208 = 6087 N
Tensión
σ2 = 6087/1963 = 3,1 MPa (compresión)
Respuesta
σ2 = 3,1 MPa
5.Torsión de ejes
Respuesta: φ = 0,5836 °
Torsión de ejes circulares: la tensión cortante crece linealmente desde cero en el centro hasta τmax = T·r/J en la superficie, con J = πd⁴/32 para un eje macizo y J = π(do⁴ − di⁴)/32 para uno hueco. El ángulo de torsión es φ = TL/(GJ) en radianes. Potencia y par se relacionan por P = T·ω.
Momento polar de inercia
J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
Ángulo de torsión
φ = TL/(GJ) = 250·1000·2000/(80000·613592) = 0,01019 rad
φ = 0,01019·180/π = 0,5836°
Respuesta
φ = 0,5836°
6.Torsión de ejes
Respuesta: d = 54,53 mm
Torsión de ejes circulares: la tensión cortante crece linealmente desde cero en el centro hasta τmax = T·r/J en la superficie, con J = πd⁴/32 para un eje macizo y J = π(do⁴ − di⁴)/32 para uno hueco. El ángulo de torsión es φ = TL/(GJ) en radianes. Potencia y par se relacionan por P = T·ω.
Par
ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 100000/52,36 = 1910 N·m
Diámetro a partir de la tensión admisible
d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·1,91 × 10⁶/(π·60)) = 54,53 mm
Respuesta
d = 54,53 mm
En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.
7.Cortante y momento flector
Respuesta: Vx = −20 kN
Método de las secciones: corta la viga donde quieras conocer los esfuerzos internos y quédate con un lado. El cortante V equilibra las fuerzas verticales de ese lado, y el momento flector M equilibra sus momentos respecto al corte.
Reacciones en los apoyos
Equilibrio de toda la viga.
Resultante de la carga repartida: W = w·ℓ = 10·10 = 100 kN, aplicada en x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 10·10·5
RB = 500/10 = 50 kN
ΣFy = 0: RA = 100 − 50 = 50 kN
Corta en x = 7 m y quédate con la parte izquierda
Solo aparecen las fuerzas a la izquierda del corte. Un tramo de carga repartida actúa como una fuerza en el centro de ese tramo.
V = RA − (todas las cargas hacia abajo a la izquierda del corte)
Vx = 50 − 10·7 = −20 kN
Respuesta
Vx = −20 kN
8.Cortante y momento flector
Respuesta: Mmax = 42,19 kN·m
Método de las secciones: corta la viga donde quieras conocer los esfuerzos internos y quédate con un lado. El cortante V equilibra las fuerzas verticales de ese lado, y el momento flector M equilibra sus momentos respecto al corte. Momento máximo: como dM/dx = V, el momento flector alcanza su máximo donde el cortante pasa por cero, ya sea en una carga puntual o dentro de una carga repartida.
Reacciones en los apoyos
Equilibrio de toda la viga.
Resultante de la carga repartida: W = w·ℓ = 24·3 = 72 kN, aplicada en x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 24·3·2,5
RB = 180/4 = 45 kN
ΣFy = 0: RA = 72 − 45 = 27 kN
Cortante nulo
El cortante empieza en RA, se mantiene constante en los tramos descargados y disminuye con pendiente w dentro de la carga.
Transformación de tensiones en estado plano: en un plano girado θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. El círculo de Mohr muestra todos los planos a la vez: su centro está en C = (σₓ + σᵧ)/2 y su radio es R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Las tensiones principales son C ± R, y la tensión cortante máxima en el plano es R.
Transformación de tensiones en estado plano: en un plano girado θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. El círculo de Mohr muestra todos los planos a la vez: su centro está en C = (σₓ + σᵧ)/2 y su radio es R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Las tensiones principales son C ± R, y la tensión cortante máxima en el plano es R.
Tensiones en la superficie
σ = 32M/(πd³) = 32·1500000/(π·40³) = 238,7 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1000000/(π·40³) = 79,58 MPa
Círculo de Mohr
C = σ/2 = 119,4 MPa
R = √(119,4² + 79,58²) = 143,5 MPa
σ1 = C + R = 262,8 MPa
σ2 = C − R = −24,09 MPa
Respuesta
σ1 = 262,8 MPa
11.Flecha de la viga
Respuesta: δmax = 23,53 mm
Flecha de vigas: las flechas se obtienen integrando dos veces la curvatura M/(EI). Los casos habituales están tabulados, por ejemplo PL³/(3EI) para un voladizo con carga en el extremo y 5wL⁴/(384EI) para una viga simplemente apoyada con carga uniforme completa. Las flechas de cargas distintas se suman (superposición).
Unidades coherentes
Trabaja en N y mm: P en N, w en N/mm (kN/m = N/mm), L en mm, E en N/mm² (GPa × 1000), I en mm⁴.
w = 12 N/mm, L = 4000 mm
EI = 1,7 × 10¹² N·mm²
Flecha
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·4000⁴/(384·1,7 × 10¹²) = 23,53 mm
Respuesta
δmax = 23,53 mm
12.Flecha de la viga
Respuesta: Ireq = 3,616 × 10⁶ mm⁴
Flecha de vigas: las flechas se obtienen integrando dos veces la curvatura M/(EI). Los casos habituales están tabulados, por ejemplo PL³/(3EI) para un voladizo con carga en el extremo y 5wL⁴/(384EI) para una viga simplemente apoyada con carga uniforme completa. Las flechas de cargas distintas se suman (superposición).
Límite de flecha
δallow = L/360 = 3000/360 = 8,333 mm
Momento de inercia necesario
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·2·3000⁴/(384·70000·8,333) = 3,616 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 3,616 × 10⁶ mm⁴
Respuesta
Ireq = 3,616 × 10⁶ mm⁴
13.Pandeo de pilares
Respuesta: Pcr = 3,515 kN
Pandeo de Euler: un pilar esbelto se vuelve inestable en Pcr = π²EI/(KL)², donde KL es la longitud de pandeo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para empotrado–libre, 0,7 para empotrado–articulado y 0,5 para empotrado–empotrado. Pandea respecto al eje con el menor I. La fórmula vale para pilares esbeltos, cuya tensión crítica queda por debajo del límite elástico.
Menor momento de inercia
Una sección circular tiene el mismo I respecto a cualquier eje.
Pandeo de Euler: un pilar esbelto se vuelve inestable en Pcr = π²EI/(KL)², donde KL es la longitud de pandeo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para empotrado–libre, 0,7 para empotrado–articulado y 0,5 para empotrado–empotrado. Pandea respecto al eje con el menor I. La fórmula vale para pilares esbeltos, cuya tensión crítica queda por debajo del límite elástico.
Menor momento de inercia
Una sección circular tiene el mismo I respecto a cualquier eje.
I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴
Radio de giro y esbeltez
A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 2·2500 = 5000 mm
KL/r = 5000/10 = 500
Tensión crítica
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/500² = 7,896 MPa
Respuesta
σcr = 7,896 MPa
15.Tiro parabólico
Respuesta: θ = 20,39 °
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Fórmula del alcance
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·45/26² = 0,653
Ángulo
2θ = 40,77° → θ = 20,39°
Respuesta
θ = 20,39°
La otra solución es 90° − θ = 69,61°.
16.Tiro parabólico
Respuesta: H = 59,29 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Velocidad vertical de lanzamiento
vy = 27·sin 30° = 13,5 m/s
Subida por encima del acantilado
Δh = vy²/(2g) = 13,5²/(2·9,81) = 9,289 m
Altura sobre el suelo
H = 50 + 9,289 = 59,29 m
Respuesta
H = 59,29 m
17.Trabajo y energía
Respuesta: P = 54,72 kW
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). La potencia es la fuerza por la velocidad: P = F·v.
Fuerza motriz
m·g = 1800·9,81 = 17658 N
mg·sin θ = 17658·sin 5° = 1539 N
F = 1539 + 650 = 2189 N
Potencia
v = 90/3,6 = 25 m/s
P = F·v = 2189·25 = 54725 W = 54,72 kW
Respuesta
P = 54,72 kW
18.Trabajo y energía
Respuesta: x = 14,86 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 = 39,24·(1,5 − 0,25·1,5) = 44,15 J
Compresión máxima
½kx² = 44,15 → x = √(2·44,15/4000) = 0,1486 m = 14,86 cm
Respuesta
x = 14,86 cm
19.Vibraciones mecánicas
Respuesta: fd = 2,847 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 = √(10000/20) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz
Frecuencia natural amortiguada
fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,559·√(1 − 0,6²) = 2,847 Hz
Respuesta
fd = 2,847 Hz
20.Vibraciones mecánicas
Respuesta: fn = 3,985 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 = 12 + 30 = 42 kN/m
keq = 42·25/(42 + 25) = 15,67 kN/m
Frecuencia natural
ωn = √(15672/25) = 25,04 rad/s
fn = 25,04/(2π) = 3,985 Hz
Respuesta
fn = 3,985 Hz
21.Máquinas térmicas y frigoríficas
Respuesta: ηmax = 70,9 %
Límites del segundo principio: ningún ciclo entre focos a temperaturas absolutas TH y TL puede superar al ciclo reversible (de Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) y COPHP,max = TH/(TH − TL). La energía siempre se conserva: QH = W + QL.
Temperaturas absolutas
TH = 700 + 273,15 = 973,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K
Rendimiento de Carnot
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283,1/973,1 = 70,9 %
Respuesta
ηmax = 70,9 %
22.Máquinas térmicas y frigoríficas
Respuesta: Tm = 247,1 °C
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
Temperaturas absolutas
TH = 650 + 273,15 = 923,1 K
TL = 20 + 273,15 = 293,1 K
Rendimientos iguales
1 − Tm/TH = 1 − TL/Tm da Tm² = TH·TL.
Tm = √(923,1·293,1) = 520,2 K = 247,1 °C
Respuesta
Tm = 247,1 °C
23.Ciclos de potencia de gas
Respuesta: qin = 999,3 kJ/kg
Ciclo Diesel (motor de encendido por compresión): 1→2 compresión isentrópica, 2→3 aporte de calor a presión constante, 3→4 expansión isentrópica, 4→1 cesión de calor a volumen constante. Con relación de compresión r = v₁/v₂ y relación de corte rc = v₃/v₂: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) y η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)).
Temperaturas
T2 = 300·200,4 = 994,3 K
T3 = 2·994,3 = 1989 K
Calor aportado a presión constante
qin = 1,005·(1989 − 994,3) = 999,3 kJ/kg
Respuesta
qin = 999,3 kJ/kg
24.Ciclos de potencia de gas
Respuesta: η = 56,21 %
Ciclo Brayton (turbina de gas): 1→2 compresión isentrópica, 2→3 aporte de calor a presión constante, 3→4 expansión isentrópica en la turbina, 4→1 cesión de calor a presión constante. Con relación de presiones rp = P₂/P₁: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k y η = 1 − 1/rp(k−1)/k. Trabajo neto w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Con rendimientos isentrópicos, el compresor necesita ws/ηc y la turbina da ηt·ws.
Rendimiento térmico
η = 1 − 1/180,2857 = 1 − 1/2,284 = 56,21%
Respuesta
η = 56,21%
25.Continuidad y Bernoulli
Respuesta: Q = 94,43 L/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Continuidad
v1 = v2·(100/150)² = 0,4444·v2
Bernoulli entre la entrada y la garganta
La tubería es horizontal, así que solo cambian la presión y la velocidad.
Continuidad y Bernoulli: en un fluido incompresible el caudal es el mismo en todas las secciones, Q = A₁v₁ = A₂v₂. A lo largo de una línea de corriente sin pérdidas, p + ½ρv² + ρgz es constante, así que donde el fluido va más rápido o más alto su presión es menor.
Continuidad y Bernoulli
Trabaja en Pa y después divide entre 1000 para obtener kPa.
Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.
Altura de velocidad
V²/(2g) = 1,1²/(2·9,81) = 0,06167 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(200/0,1)·1,1²/(2·9,81) = 2,467 m
Respuesta
hf = 2,467 m
28.Fricción en tuberías y pérdida de carga
Respuesta: Δz = 1,211 m
Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.
Velocidad
V = Q/A = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m
Coeficientes de pérdida
f·L/D = 0,018·150/0,3 = 9
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1
Pérdida de carga total
hf = 9·0,05738 = 0,5164 m
hm = 12,1·0,05738 = 0,6943 m
Δz = hf + hm = 1,211 m
Respuesta
Δz = 1,211 m
29.Bombas y potencia de bombeo
Respuesta: Pel = 9,597 kW
Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.
Potencia hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,015·42 = 6,18 kW
Potencia en el eje
Pshaft = 6,18/0,7 = 8,829 kW
Potencia eléctrica
Pel = 8,829/0,92 = 9,597 kW
Respuesta
Pel = 9,597 kW
30.Bombas y potencia de bombeo
Respuesta: Pshaft = 11,03 kW
Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.
Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.
Resistencias de las capas
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·8) = 0,1838 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·8) = 0,02604 K/W
Flujo de calor
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 28/0,2099 = 133,4 W
Respuesta
Q̇ = 133,4 W
32.Conducción de calor
Respuesta: Q̇ = 84,15 W
Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.
Resistencias en serie
Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·4) = 0,03247 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·4) = 0,1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·4) = 0,02604 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,2139 K/W
Pérdida de calor
Q̇ = (20 − (2))/0,2139 = 84,15 W
Respuesta
Q̇ = 84,15 W
33.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: Tw = 77,79 N·m
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
Velocidad de la rueda
nw = n·z/Nw = 1450·4/45 = 128,9 rpm
Par de salida
ωw = 2π·128,9/60 = 13,5 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,7·1500/13,5 = 77,79 N·m
Respuesta
Tw = 77,79 N·m
34.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: P = 2,857 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 = 2,567 rad
Tensión del ramal flojo
eμθ = e0,6418 = 1,9, T₂ = 500/1,9 = 263,2 N
Potencia
P = (500 − 263,2)·12,06 = 2,857 kW
Respuesta
P = 2,857 kW
35.Transformadas de Laplace
Respuesta: A = 7
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Factoriza el denominador
s² + 8s + 12 = (s + 2)(s + 6)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 6)
Regla del tapado
Multiplica por (s + 2) y haz s = −2: el término de B se anula.
A = (s + 30)/(s + 6) |s = −2 = 28/4 = 7
Respuesta
A = 7
(B = −6, así que f(t) = 7·e−2t − 6·e−6t)
36.Transformadas de Laplace
Respuesta: g(0.2) = 1,421
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Función de transferencia
G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 8)/(s² + 7s + 6)
Fracciones parciales
s² + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
A = 1, B = 2
Respuesta al impulso
g(t) = e−t + 2·e−6t
g(0,2) = 1,421
Respuesta
g(0,2) = 1,421
37.Diagramas de bloques
Respuesta: css = 2,222
Álgebra de diagramas de bloques: los bloques en serie se multiplican (G₁·G₂), los bloques en paralelo se suman (G₁ + G₂), y un lazo con camino directo G y camino de realimentación H se reduce a T = G/(1 + G·H) para realimentación negativa y G/(1 − G·H) para realimentación positiva. Reduce primero los lazos internos y avanza hacia fuera. Los polos en lazo cerrado son las raíces de la ecuación característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para un lazo estable, una entrada escalón de tamaño A da la salida en régimen estacionario A·T(0); con realimentación unitaria el error en régimen estacionario ante un escalón es A/(1 + Kp) con Kp = G(0).
Álgebra de diagramas de bloques: los bloques en serie se multiplican (G₁·G₂), los bloques en paralelo se suman (G₁ + G₂), y un lazo con camino directo G y camino de realimentación H se reduce a T = G/(1 + G·H) para realimentación negativa y G/(1 − G·H) para realimentación positiva. Reduce primero los lazos internos y avanza hacia fuera. Los polos en lazo cerrado son las raíces de la ecuación característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para un lazo estable, una entrada escalón de tamaño A da la salida en régimen estacionario A·T(0); con realimentación unitaria el error en régimen estacionario ante un escalón es A/(1 + Kp) con Kp = G(0).
Respuesta a la perturbación
css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 10·10/(7 + 10K)
Resolver para K
7 + 10K = 10·10/0,7143 = 140
K = (140 − 7)/10 = 13,3
Respuesta
K = 13,3
39.Respuesta al escalón
Respuesta: ts = 1 s
Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).
Compara con la forma estándar
El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 30 → ωₙ = 5,477 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5,477) = 0,7303
Resultado
ζωₙ = 4 → ts ≈ 4/4 = 1 s
Respuesta
ts = 1 s
40.Respuesta al escalón
Respuesta: ts = 1,6 s
Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).
Para este lazo ζωₙ = a/2 sea cual sea K: aumentar K añade sobreimpulso pero no acorta el tiempo de establecimiento.
41.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: ess = 0,06667
Error en régimen permanente: en un lazo con realimentación unitaria y función de transferencia de lazo abierto G(s) el error es E(s) = R(s)/(1 + G(s)), y por el teorema del valor final ess = lims→0 s·E(s). El tipo del sistema es el número de polos de G(s) en s = 0. Las constantes de error son Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) y Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Un escalón de tamaño A da ess = A/(1 + Kp), una rampa A·t da A/Kv y una parábola A·t²/2 da A/Ka. Un lazo de tipo 0 sigue un escalón con un error finito, un lazo de tipo 1 lo sigue exactamente y sigue una rampa con un error finito.
Constante de aceleración
Ka = 20·3/4 = 15
Error ante parábola
ess = 1/15 = 0,06667
Respuesta
ess = 0,06667
42.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: ess = 5
Control P, PI y PID: el controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s actúa sobre el error. Una ganancia proporcional hace el lazo más rápido y reduce el error de una planta de tipo 0, pero nunca lo elimina. El término integral añade un polo en s = 0: el tipo del sistema sube una unidad y un escalón se sigue sin error. El término derivativo añade amortiguamiento. Para elegir las ganancias, escribe el polinomio característico de lazo cerrado y compáralo con s² + 2ζωns + ωn². Entonces %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd con ωd = ωn√(1 − ζ²), y ts ≈ 4/(ζωn).
Constante de velocidad
s·C(s) = 1s + 2 → 2 cuando s → 0.
Kv = 2·4/20 = 0,4
Error ante rampa
ess = 2/0,4 = 5
Respuesta
ess = 5
El controlador PI elimina por completo el error ante escalón; una rampa se sigue con un retardo constante.