UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS, GEOLOGÍA Y CIVIL ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
SOLUCIONARIO DE LOS PROBLEMAS ASIGNADOS DEL LIBRO, DE LA QUINTA EDICIÓN, DE BEER- JOHNSTON ASIGNATURA ALUMNOS
: Dinámica : Espillco Quintanilla, Freud : Lujan Centeno, Fernando : Pereira Portillo, Jorge Irvin : Rodríguez Ramos, Alfio
PROFESOR
: Ing. Cristian
FECHA DE ENTREGA
: hasta: 06/06/13 AYACUCHO – PERU
2013
15.7 Cuando se pone en operación un motor alcanza su velocidad nominal de 3300 rpm en 6s y cuando el motor se desactiva tarda 80s para llegar al reposos se supone que el movimiento es uniformemente acelerado ,determine el número de revoluciones que ejecuta el motor a)para alcanzar ,la velocidad nominal b)para detenerse 3300 𝑟𝑎𝑑 𝑟𝑎𝑑 𝑎) 𝑤𝑓 = 3300𝑟𝑝𝑚 = 2𝜋 = 55 2𝜋 60 𝑠 𝑠 𝑡 = 6𝑠 𝜃=
(𝑤0 + 𝑤𝑓 )𝑡 0 + 55 2𝜋 = 2 2
6 = 165 2𝜋 𝑟𝑎𝑑
1revolucion =2 𝝅 rad , entonces dio 𝟏𝟔𝟓 𝒓𝒆𝒗𝒐𝒍𝒖𝒄𝒊𝒐𝒏𝒆𝒔
𝑏)
𝑤0 = 3300𝑟𝑝𝑚 =
3300 60
2𝜋
𝑟𝑎𝑑 𝑟𝑎𝑑 = 55 2𝜋 𝑠 𝑠
𝑡 = 80𝑠 𝜃=
(𝑤0 + 𝑤𝑓 )𝑡 55 2𝜋 + 0 = 80 = 2200 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 2 2
1revolucion =2 𝜋 rad , entonces dio 2200 rev.
15.10El ensamble que se muestra en la figura está compuesta por la varilla recta ABC que pasa por, y esta soldada a la placa rectangular DEFH .el ensamble gira alrededor del eje AC con una velocidad angular constante de 9rad/s .si el movimiento es en sentido contrario al de las manecillas del reloj cuando se observa desde C, determine la velocidad y aceleración de la esquina F
𝑎𝐴𝐶 =
1 7𝑖 − 4𝑗 + 4𝑘 9
𝑤 = 7𝑖 − 4𝑗 + 4𝑘 𝛼=− 𝛼 = 𝛼𝑢𝐴𝐶 = −18 Esquina F:
1 9
18𝑟𝑎𝑑 ; 𝑠2
7𝑖 − 4𝑗 + 4𝑘 = −14𝑖 + 8𝑗 − 18𝑘
𝑟𝐹/𝐵 = 175𝑚𝑚 𝑖 + 100𝑚𝑚 𝑘 = 0.175𝑚 𝑖 + 0.100𝑚 𝑘
𝑣𝐹 = 𝑤𝑥𝑟𝐹/𝐵
𝑖 = det 7 0.175
𝑗 𝑘 = −0.4𝑖 + 0.7 − 0.7 𝑗 + 0.7𝑘 −4 4 0 0.100
𝑣𝐹 = −0.4𝑖 + 0.7𝑘𝑚/𝑠 𝑎𝐹 = 𝛼𝑥𝑟𝐹/𝐵 + 𝑤𝑥(𝑤𝑥𝑟𝐹/𝐵 ) = 𝛼𝑥𝑟𝐹/𝐵 + 𝑤𝑥(𝑣𝐹 ) 𝑎𝐹 = det
𝑖 𝑗 𝑘 𝑖 𝑗 𝑘 −14 8 −8 + det 7 −4 4 0.175 0 0.100 −0.4 0 0.7 = 0.8𝑖 + −1.4 + 1.4 𝑗 − 1.4𝑘 − 2.8𝑖 + −1.6 − 4.9 𝑗 − 1.6𝑘 𝒂𝑭 = −(𝟐𝒎/𝒔𝟐 )𝒊 − (𝟔. 𝟓𝒎/𝒔𝟐 )𝒋 − (𝟑𝒎/𝒔𝟐 )𝒌
15.12 la varilla doblada ABCDE gira alrededor de una línea que une los puntos A y E con una velocidad angular constante de 9rad/s .si se sabe que la rotación es el sentido de las manecillas del reloj según se observa desde E, determine la velocidad y aceleración de la esquina C
𝑤𝐴𝐸 =
9𝑟𝑎𝑑 , 𝑠
𝛼𝐴𝐸 = 0 , 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝐸
𝐸𝐴2 = 0.42 + 0.22 + 0.42 = 0.6 𝑚 𝑟𝐶/𝐸 = −0.4𝑖 + 0.15𝑗 𝐸𝐴 = −0.4𝑖 + 0.4𝑗 + 0.2𝑘 𝑢𝐸𝐴 =
𝐸𝐴 1 1 = −0.4𝑖 + 0.4𝑗 + 0.2𝑘 = −2𝑖 + 2𝑗 + 1𝑘 /𝐸𝐴/ 0.6 3
𝑤=9
1 3
−2𝑖 + 2𝑗 + 1𝑘 = (−6𝑖 + 6𝑗 + 3𝑘) 𝑟𝑎𝑑/𝑠
𝑖 𝑗 𝑘 −6 6 3 = −0.45𝑖 − 1.2𝑗 + −0.9 + 2.4 𝑘 = −0.4 0.15 0 (−0.45𝑖 − 1.2𝑗 + 1.5𝑘) m/s 𝑣𝑐 = 𝑤𝑥𝑟𝐶/𝐸 = det
𝑖 𝑗 𝑘 𝑎𝑐 = 0 + det −6 6 3 = 9 + 3.6 𝑖 + −1.35 + 9 𝑗 + 7.2 + 2.7 𝑘 −0.4 0.15 0 = 12.60𝑖 + 7.65𝑗 + 9.90𝑘 𝒂𝒄 = 𝟏𝟐. 𝟔𝟎𝒊 + 𝟕. 𝟔𝟓𝒋 + 𝟗. 𝟗𝟎𝒌 𝒎/𝒔𝟐
15.41 El Collarín A se mueve hacia arriba con una velocidad constante de 1.2 m/s. en el instante mostrado cuando 𝜽 = 𝟐𝟓º, determine a) la velocidad angular de la varilla AB. b) la velocidad del collarín B.
𝑉𝐴 = 1.2 𝑚/𝑠
𝑉𝐴 𝑤𝐴𝐵 𝐴𝐵 = 𝑠𝑒𝑛(55) 𝑠𝑒𝑛(60) 𝑤𝐴𝐵 =
𝑠𝑒𝑛 60 . 𝑉𝐴 𝑠𝑒𝑛 55 . 𝐴𝐵
𝑤𝐴𝐵 =
1.2 𝑚/𝑠 𝑠𝑒𝑛 60 . 0.5 𝑚 𝑠𝑒𝑛 55
𝑤𝐴𝐵 = 2.54 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝑉𝐴 𝑉𝐵 = 𝑠𝑒𝑛(55) 𝑠𝑒𝑛(65)
𝑉𝐴/𝐵 𝑉𝐵 𝑉𝐴 = = 𝑠𝑒𝑛(60) 𝑠𝑒𝑛(65) 𝑠𝑒𝑛(55)
𝑉𝐵 =
𝑉𝐴 . 𝑠𝑒𝑛(65) 𝑠𝑒𝑛(55)
𝑉𝐵 =
1.2. 𝑠𝑒𝑛(65) 𝑠𝑒𝑛(55)
𝑽𝑩 = 𝟏. 𝟑𝟑𝒎/𝒔
15.52 El brazo AB gira con una velocidad angular de 20 rad/s en sentido contrario de las manecillas del reloj. Si se sabe que el engrane exterior C es estacionario, determine a) la velocidad angular del engrane B, b) la velocidad del diente del engrane localizado en el punto D.
𝑉1 = 𝐴𝐵 + 𝑟 . 𝑤𝐶 𝑉2 = 𝐴𝐵 . 𝑤𝐴
𝑉1 = 𝑉2 + 𝑤𝐵 . (𝑟) Reemplazando (1) y (2) en la ecuación (3): 𝐴𝐵 + 𝑟 . 𝑤𝐶 = 𝐴𝐵 . 𝑤𝐴 + 𝑤𝐵 . (𝑟) Como 𝑤𝐶 es estacionario es igual a 0: 0 = 𝐴𝐵 . 𝑤𝐴 + 𝑤𝐵 . (𝑟) 𝑤𝐵 = −
𝐴𝐵 . 𝑤𝐴 𝑟
𝑤𝐵 = −
0.12(20) 0.05
𝑤𝐵 = −48 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Para hallar 𝑉𝐷 : 𝑉𝐷 = 𝑉𝐸 + 𝑉𝐷/𝐸 𝑉𝐷 = 0 + 𝐷𝐸 . 𝑤𝐵 𝑉𝐷 = 0.05. 2.48 𝑽𝑫 = 𝟑. 𝟑𝟗𝒎/𝒔 15.55 Si la manivela AB tiene una velocidad angular constante de 160 rpm en sentido contrario al de las manecillas del reloj, determine la velocidad angular de la varilla BD y la velocidad del collarín D cuando a) 𝜽 = 𝟎º ,b) 𝜽 = 𝟗𝟎º
𝑤𝐴𝐵 = 160 𝑟𝑝𝑚 =
160(2𝜋) 16 = 𝜋𝑟𝑎𝑑/𝑠 60 3
Del diagrama de la segunda barra obtenemos:
𝑉𝐷/𝐵 𝑉𝐵 𝑉𝐷 = = 𝑠𝑒𝑛(90+∝) 𝑠𝑒𝑛(𝜃 − 𝛼) 𝑠𝑒𝑛(90 − 𝜃) 𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛
6 − 3𝑠𝑒𝑛𝜃 … (1) 10
Para 𝜃 = 0º se obtiene de (1) 𝛼 = 37º:
16
𝜋. (3)
3
𝑠𝑒𝑛(90 + 37) 16 3
𝑤𝐵𝐷 =
=
10. 𝑤𝐵𝐷 𝑠𝑒𝑛(90 − 0)
𝜋. (3)𝑠𝑒𝑛(90)
10. 𝑠𝑒𝑛(127)
𝑤𝐵𝐷 = 6.29 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Hallando 𝑉𝐷 : 𝑉𝐷 𝑉𝐵 = 𝑠𝑒𝑛(0 − 37) 𝑠𝑒𝑛(90 + 37) 16
𝜋. (3) 𝑉𝐷 = 3 𝑠𝑒𝑛(−37) 𝑠𝑒𝑛(127) 16 3
𝑉𝐷 =
𝜋. 3 . 𝑠𝑒𝑛(−37) 𝑠𝑒𝑛(127)
𝑉𝐷 = −37.88 𝑖𝑛𝑐/𝑠 Para 𝜃 = 90º se obtiene de (1) 𝛼 = 17.46º: 16 3
𝜋. (3)
𝑠𝑒𝑛(90 + 17.46) 16
𝑤𝐵𝐷 =
3
=
10. 𝑤𝐵𝐷 𝑠𝑒𝑛(90 − 90)
𝜋. (3)𝑠𝑒𝑛(0)
10. 𝑠𝑒𝑛(107.46)
𝑤𝐵𝐷 = 0 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Hallando 𝑉𝐷 : 𝑉𝐷 𝑉𝐵 = 𝑠𝑒𝑛(90 − 17.46) 𝑠𝑒𝑛(90 + 17.46) 16
𝜋. (3) 𝑉𝐷 = 3 𝑠𝑒𝑛(72.54) 𝑠𝑒𝑛(107.46) 16
𝑉𝐷 =
3
𝜋. 3 . 𝑠𝑒𝑛(72.54) 𝑠𝑒𝑛(107.46) 𝑽𝑫 = 𝟓𝟎. 𝟐𝟕𝒊𝒏𝒄𝒉/𝒔
15.82.Si se sabe que en el instante mostrado la velocidad angular de la varilla AB es de 15𝒓𝒂𝒅 𝒔 en el sentido de las manecillas del reloj, determina: a) La velocidad angular de la varilla BD. b)La velocidad del punto medio de la varilla BD.
𝜔𝐴𝐵 = 15𝑟𝑎𝑑 𝑠 𝜔𝐴𝐵 = −15𝐾 𝜔𝐴𝐵 =? ? 𝑉𝑃 =? ? 𝑉𝐵
𝑉𝐵
=
𝑉𝐴
𝑉𝐷
=
𝑉𝐵
+
𝜔 𝐵𝐷
×
𝑉𝐷
𝑉𝐷
𝜔 𝐴𝐵
×
𝜌 𝐴𝐵
= 0 + −15𝐾 × −0.2𝑗 ∴
+
𝑉𝐵
= −3𝑖
𝜌 𝐵𝐷
= −3𝑖 +
𝜔 𝐵𝐷
×
= −3𝑖 + 𝜔𝐵𝐷 𝐾 ×
−0.6𝑖 − 0.25𝑗 −0.6𝑖 − 0.25𝑗
Comparando la velocidad en el punto D con respecto a los puntos B y E −3𝑖 + 𝜔𝐵𝐷 𝐾 ×
−0.6𝑖 − 0.25𝑗 = 𝑉𝐸 + 𝜔𝐸𝐷 𝐾 × 𝑃𝐸𝐷
−3𝑖 − 0.6𝜔𝐵𝐷 𝐽 + 0.25𝜔𝐵𝐷 𝐾 = 0 + −0.2𝜔𝐸𝐷 𝐽 0.25𝜔𝐵𝐷 𝑖 = 3
∴ 𝝎𝑩𝑫 = 𝟏𝟐 𝒓𝒂𝒅 𝒔 𝑉𝑃 = 𝑉𝐵 +
𝜔 𝐵𝐷
×
𝜌
𝑉𝑃 =-3𝑖 +12𝑘 × −0.3𝑖 − 0.25𝑗 𝑉𝑃 =−3𝑖 − 3.6𝑗 + 3𝑖 ∴ 𝑽𝑷 = −𝟑. 𝟔𝒋
15.94La barra AB está unida a un collarín en A y esta acoplada con una pequeña rueda en B.Si se sabe que cuando Ø = 𝟔𝟎𝟎 la velocidad del collarín es de 250𝒎𝒎 𝒔 hacia arriba, determine: a) La velocidad angular de la barra AB. b) La velocidad del punto B.
Si: 𝜙 = 60°
𝑦
𝑉𝐴 = 250𝑚𝑚/𝑠 𝜔 𝐴𝐵
= ¿?
𝑦𝑣𝐵 = ? ?
En el triángulo ABE 𝐸𝐵 = 200 sin 60° = 173.2𝑚𝑚 𝐴𝐸 = 200 cos 60° = 100𝑚𝑚 Analizando en el triángulo BCD: Ω = sin−1 (173.2𝑚𝑚 300𝑚𝑚) Ω = 35.264° 𝐶𝐸 = 300 cos 𝛽 = 244.95𝑚𝑚 𝐴𝐶 = 𝐶𝐸 − 100 = 144.95𝑚𝑚 Por semejanza de triángulos: 𝐶𝐴𝐷 𝑦 𝐶𝐸𝐵 𝐶𝐷 𝐴𝐷 𝐶𝐴 = = 𝐶𝐵 𝐸𝐵 𝐶𝐸 𝐶𝐷 𝐴𝐷 144.95𝑚𝑚 = = 300𝑚𝑚 173.2𝑚𝑚 244.95𝑚𝑚
𝐶𝐷 = 177.53
𝐴𝐷 = 102.49
𝐶𝐷 = 177.53
𝐴𝐷 = 102.49
𝐵𝐷 = 𝐶𝐵 − 𝐶𝐷 = 300𝑚𝑚 − 177.53𝑚𝑚 = 122.47𝑚𝑚 a) Hallando velocidad angular:
𝜔 𝐴𝐵
𝑣𝐴 = (𝐴𝐷) ∗ 𝜔𝐴𝐵 250𝑚𝑚/𝑠 = (102.49𝑚𝑚) ∗ 𝜔𝐴𝐵 𝜔𝐴𝐵 = 2.439𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝝎𝑨𝑩 = 𝟐. 𝟒𝟒𝒓𝒂𝒅/𝒔 ↷ b) 𝑣𝐵 = 𝐵𝐷 ∗ 𝜔𝐴𝐵 = 122.42𝑚𝑚 ∗ (2.439𝑟𝑎𝑑/𝑠) 𝒗𝑩 = 𝟐𝟗𝟖. 𝟕𝒎𝒎/𝒔 15.138 Se han unido unas pequeñas ruedas a los extremos de la varilla AB y ruedan libremente a lo largo de las superficies que se muestran. Utilice el método de la sección 15.9 a fin de obtener una expresión para la velocidad angular de la varilla en términos de 𝒗𝑩, Ø,𝒍 𝒚Ω
𝐴𝐷
La distancia de A al 𝐶𝐼𝑅 = cos (90−Ω)
𝑅𝐴 =
𝐿 cos Ø 𝐿 cos Ø = cos( 90 − Ω) sin Ω
De la figura tenemos 𝑅𝐴 = Lcos Ø ∗ csc Ω 𝑅𝐵 = Lcos Ø ∗ sin 90 − Ω 𝑣𝐵 = 𝜔 ∗ 𝑅𝐵 𝑣𝐵 = 𝜔 ∗ (𝐿 cos Ø. sec(90 − Ω) 𝜔𝐴𝐵 =
𝑉𝐵 𝐿 cos Ø sec(90 − Ω)
∴ 𝝎𝑨𝑩 = −
𝑽𝑩 𝒔𝒊𝒏 Ω 𝑳 𝒄𝒐𝒔 Ø
15.14 Una placa triangular y dos placas rectangulares se sueldan a una barra recta AB .La unidad soldada gira alrededor de la barra AB con una velocidad angular constante de 5rds/seg. Si se sabe que en ek instante considerado la velocidad dde la esquina E se dirige hacia abajo, determine la velocidada y aceleración de la esquina D.
𝑊𝐴𝐵 = 5 𝑟𝑑𝑎/𝑠 𝑊𝐴𝐵 = −4𝑗 + 3𝑖
𝑃𝐴𝐵 = 350𝑖 𝑉𝐸 = 𝑊𝐴𝐵 𝑥𝑃𝐴𝐵 𝑉𝐸 = −4𝑗 + 3𝑖 𝑥350𝑖 𝑉𝐸 = 1100𝑘 + 1050𝑗
𝑎𝐸 = 0 + −4𝑗 + 3𝑖 𝑥(1100𝑘 + 1050𝑗) 𝑎𝐸 = −5600𝑖 + 3150𝑖 𝑎𝐸 = −8750i rad/seg
15.32 El disco B esta en reposo cuando se pone en contacto con el disco A que gira libremente a 450 rpm en el sentido de la manecillas del reloj. Despues de 6 segundos de deslizamineto, durante el cual cada disco tiene una aceleración angular constante, el dsco A alcanza una velocidad angular final de 140rpm en ele sentido de las manecillas del reloj.Detrmine la aceleración angular de cada disco durante el periodo de deslizamiento.
450𝑟𝑝𝑚 𝑥 𝑊𝐴𝑜 =
2𝜋𝑥𝑟𝑑𝑠 𝑠𝑒𝑔
60𝑠𝑒𝑔/𝑚𝑖𝑛 140𝑟𝑝𝑚 𝑥
𝑊𝐴𝑓 =
= 47.123 𝑟𝑎𝑑/𝑠𝑒𝑔
2𝜋𝑥𝑟𝑑𝑠 𝑠𝑒𝑔
60𝑠𝑒𝑔/𝑚𝑖𝑛 𝛼=
𝑑𝑤 𝑑𝑡
17.660
6
𝛼
𝑑𝑡 = 0
= 17.660
𝑑𝑤 47.123
𝛼𝐴 = −5.410 𝑟𝑑𝑠/𝑠𝑒𝑔2
𝑟𝑎𝑑 𝑠𝑒𝑔
𝑉𝐴 = 𝑉𝐵 47.123 𝑥3 = 5𝑥𝑉𝐵 𝑉𝐴 = 𝑉𝐵 𝑤𝐵 = 28.273rad/seg2 28.273
6
𝛼
𝑑𝑡 = 0
𝑑𝑤 0
𝛼𝐵 = 4.712 𝑟𝑑𝑠/𝑠𝑒𝑔2
15.36 En un proceso de impresión continua , las prensas tiran del pael a una velocidad constanteV .Si se denota con r el radio del rodillo de papel en cualquier tiempo dado y con b el espesor del papel, obtenga una expresión como l aceleración angular del rollo de papel.
𝑉𝐴 = 𝑊𝐴 𝑥(𝑟 + 𝑏)
𝑎𝑡 = 𝛼𝑥(𝑟 + 𝑏) 𝑣2
𝑎𝑛 = 𝑟+𝑏 =w*(b+r) Por teorema tenemos:
𝑎𝑛 2 + 𝑎𝑛 2 =+𝑎
2
𝛼𝑥(𝑟 + 𝑏)2 +w*(b+r)=𝑎2
