Diseño de máquinas: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 12 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

1Fórmulas y métodos

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

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

  1. Halla el momento polar de inercia: J = πd⁴/32 para un eje macizo.
  2. Tensión tangencial en la superficie: τ = T·r/J, con r el radio exterior.
  3. Ángulo de torsión: φ = TL/(GJ) en radianes.
  4. Si te dan la potencia, halla primero el par con P = T·ω, ω = 2πn/60.

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

  1. Calcula el centro del círculo de Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcula el radio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Las tensiones principales son C ± R y la tensión tangencial máxima en el plano es R.
  4. Los ángulos en el círculo son el doble que los ángulos en el elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

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

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)

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.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 120 mmd2​ = 200 mm720 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 600 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 120 mm a 720 rpm. La tensión es de 1200 N en el ramal tenso y de 600 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 120 mmn1 = 720 rpmT1 = 1200 NT2 = 600 N
P = kW
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 15C = 15D = 25

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (12 dientes), en el eje de entrada que gira a 960 rpm, acciona el engranaje B (15 dientes). El engranaje C (15 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (25 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 960 rpmA = 12B = 15C = 15D = 25
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d = 10 mmT = 40 N·m400 mmφ = 11,67°

En un ensayo de torsión, una probeta maciza de 10 mm de diámetro se tuerce con un par de 40 N·m. Los dos extremos de una longitud de medida de 400 mm giran 11,67° uno respecto al otro (el material sigue en régimen elástico). Halla el módulo de elasticidad transversal G del material.

T = 40 N·md = 10 mmL = 400 mmφ = 11,67°
G = GPa
4.Torsión de ejesDifícil
d = ?15 kW, 750 rpm

Un eje macizo de aluminio transmite 15 kW a 750 rpm. La tensión cortante no debe superar 80 MPa y la torsión no debe superar 0,25° por m de longitud. Halla el diámetro mínimo d que cumple ambos límites.

P = 15 kWN = 750 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,25°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 70σy​ = 50τxy​ = 40MPa

En un punto σₓ = 70 MPa, σᵧ = 50 MPa y τₓᵧ = 40 MPa (tracción positiva). El elemento se gira 25° en sentido antihorario. Halla la tensión normal σy′ en las caras del elemento girado perpendiculares al eje girado y′.

σx = 70 MPaσy = 50 MPaτxy = 40 MPaθ = 25°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −30σy​ = −30τxy​ = −10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −30 MPa, σᵧ = −30 MPa y τₓᵧ = −10 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 45° en sentido horario respecto al eje x.

σx = −30 MPaσy = −30 MPaτxy = −10 MPaθ = -45°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 10 mmCobre0,5 mP = 100 kN

Halla la deformación axial ε en la barra de cobre, en microdeformaciones (µε = 10⁻⁶).

P = 100 kNd = 10 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø30100 GPaØ120/50800 mm

Una varilla de acero (diámetro 30 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 250 MPa) está dentro de un tubo de latón (diámetro exterior 120 mm, diámetro interior 50 mm, E = 100 GPa, tensión admisible 60 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 6 md = 60 mmsección

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 = 6 mE = 200 GPa (acero)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 130 kNL = 2,5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 130 kN con un coeficiente de seguridad de 2,5 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 130 kNn = 2,5L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 150 kN/mζ = 0,7m = 100 kg

Una masa de 100 kg sobre un muelle con una rigidez de 150 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,7. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 100 kgk = 150 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 25m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 10 kN/m y el inferior k₂ = 25 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 25 kgk1 = 10 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,714 kW

Transmisiones por correa: sin deslizamiento, ambas poleas tienen la misma velocidad periférica v = π·d·n/60, así que n₁·d₁ = n₂·d₂ y la relación de velocidades es d₂/d₁. El deslizamiento s hace que la polea conducida gire un poco más despacio: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potencia transmitida es P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensión del ramal tenso y T₂ la del ramal flojo. El rozamiento limita la relación de tensiones: T₁/T₂ = eμθ, donde θ es el ángulo de contacto en radianes sobre la polea menor; para una correa abierta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con distancia entre centros C.

Velocidad de la correa

v = 4,524 m/s

Potencia

P = (1200 − 600)·4,524 = 2714 W = 2,714 kW

Respuesta

P = 2,714 kW
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 460,8 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 = 960·12/15 = 768 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 768·15/25 = 460,8 rpm

Respuesta

nout = 460,8 rpm

relación total = 2,083 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: G = 80,02 GPa

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 y ángulo

J = π·10⁴/32 = 981,7 mm⁴
φ = 11,67·π/180 = 0,2037 rad

Módulo de elasticidad transversal

T = 40 N·m = 40000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 40000·400/(981,7·0,2037) = 80015 MPa
G = 80,02 GPa

Respuesta

G = 80,02 GPa

Compara: acero ≈ 80 GPa, latón ≈ 39 GPa, aluminio ≈ 26 GPa.

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 64,35 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 15000/78,54 = 191 N·m

Diámetro por resistencia

T = 191 N·m = 190986 N·mm
dτ = ∛(16·190986/(π·80)) = 22,99 mm

Diámetro por rigidez

θ = 0,25·π/180/1000 = 4,363 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·190986/(π·26000·4,363 × 10⁻⁶))1/4 = 64,35 mm

Diámetro determinante

Ambos límites deben cumplirse, así que manda el diámetro mayor.

d = max(22,99, 64,35) = 64,35 mm

Respuesta

d = 64,35 mm

Aquí manda la rigidez.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σy′ = 22,93 MPa

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.

Ecuación de transformación para la cara y′

σy′ = 60 − 10·0,6428 − 40·0,766 = 22,93 MPa

Comprobación

La suma de las tensiones normales no cambia con el giro.

σx′ = 97,07 MPa, σx′ + σy′ = 120 = σx + σy

Respuesta

σy′ = 22,93 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = −20 MPa

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.

Ecuación de transformación

σθ = −30 + 0·0 + −10·−1 = −20 MPa

Respuesta

σθ = −20 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 10882 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 100·1000/78,54 = 1273 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 1273/117000 = 0,01088 = 10882 µε

Respuesta

ε = 10882 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 645,6 kN

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.

Áreas

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·9346 = 1,076 × 10⁹ N

Deformación determinante

ε = min(0,00125, 0,0006) = 0,0006 (latón)

Mayor carga

Pmax = 0,0006·1,076 × 10⁹ = 645597 N = 645,6 kN

Respuesta

Pmax = 645,6 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 71,19 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.

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/4200² = 71188 N = 71,19 kN

Respuesta

Pcr = 71,19 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 124,4 mm

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.

Carga crítica necesaria

Pcr = n·P = 2,5·130000 = 325000 N
KL = 2·2500 = 5000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·325000·5000²/(π³·70000))^(1/4) = 124,4 mm

Respuesta

d = 124,4 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 160,8, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 4,402 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 = √(150000/100) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,164·√(1 − 0,7²) = 4,402 Hz

Respuesta

fd = 4,402 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,69 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 + 1/25 → keq = 10·25/(10 + 25) = 7,143 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(7143/25) = 16,9 rad/s
fn = 16,9/(2π) = 2,69 Hz

Respuesta

fn = 2,69 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design