Costruzione di macchine: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 12 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Ingranaggi e rotismi

Ruote dentate in presa
n1·N1 = n2·N2
Momento torcente
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potenza
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Rotismo composto
rapporto totale = prodotto dei rapporti dei singoli stadi

Torsione degli alberi

Tensione tangenziale
τ = T·r/J
Albero pieno
J = πd⁴/32
Albero cavo
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Angolo di torsione
φ = TL/(GJ)
Potenza
P = T·ω = 2πnT/60

Metodo

  1. Trova il momento d’inerzia polare: J = πd⁴/32 per un albero pieno.
  2. Tensione tangenziale in superficie: τ = T·r/J, con r il raggio esterno.
  3. Angolo di torsione: φ = TL/(GJ) in radianti.
  4. Se è data la potenza, trova prima il momento torcente con P = T·ω, ω = 2πn/60.

Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Centro
C = (σx + σy)/2
Raggio
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tensioni principali
σ1,2 = C ± R
Direzione principale
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Piano inclinato
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Metodo

  1. Calcola il centro del cerchio di Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcola il raggio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Le tensioni principali sono C ± R e la massima tensione tangenziale nel piano è R.
  4. Gli angoli sul cerchio sono il doppio degli angoli sull’elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Tensione e deformazione assiale

Tensione normale
σ = F/A
Deformazione
ε = ΔL/L
Legge di Hooke
σ = E·ε
Allungamento
ΔL = FL/(EA)
Deformazione termica
εT = α·ΔT

Instabilità delle colonne

Carico critico di Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Coefficiente di lunghezza libera
K = 1 cerniera–cerniera, 0,5 incastro–incastro, 0,7 incastro–cerniera, 2 incastro–libero
Tensione critica
σcr = Pcr/A
Snellezza
λ = KL/r, r = √(I/A)

Vibrazioni meccaniche

Frequenza naturale
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Dalla freccia statica
ωn = √(g/δst)
Smorzamento critico
cc = 2√(km) = 2mωn
Fattore di smorzamento
ζ = c/cc
Frequenza smorzata
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Decremento logaritmico
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Molle in parallelo
k = k1 + k2
Molle in serie
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Esercizi

1.Ingranaggi e rotismiMedia
d1​ = 200 mmd2​ = 250 mm1500 rpmT1​ = 400 NT2​ = 100 NP = ?

Una cinghia scorre su una puleggia motrice da 200 mm a 1500 giri/min. La tensione è 400 N sul lato teso e 100 N sul lato lento. Trova la potenza P trasmessa, in kW.

d1 = 200 mmn1 = 1500 rpmT1 = 400 NT2 = 100 N
P = kW
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm1440 rpmC = 500 mmθ = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia da 160 mm e una puleggia da 300 mm con gli assi a 500 mm di distanza. Trova l’angolo di avvolgimento θ sulla puleggia più piccola, in gradi.

d1 = 160 mmd2 = 300 mmC = 500 mm
θ = °
3.Torsione degli alberiMedia
d = ?T = 1500 N·mL = 1,5 m

Un albero pieno in ottone lungo 1,5 m è sollecitato da un momento torcente di 1500 N·m. L’angolo di torsione tra le sue estremità non deve superare 3°. Trova il diametro minimo d che rispetta questo limite.

T = 1500 N·mL = 1,5 mG = 39 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Torsione degli alberiDifficile
d = 40 mmTB​ = 250 N·mTC​ = 250 N·mABC2,5 m0,5 m

Un albero pieno in acciaio di diametro 40 mm è incastrato in A. Un momento torcente di 250 N·m agisce in B, a 2,5 m da A, e un momento torcente di 250 N·m nello stesso verso agisce all’estremo libero C, 0,5 m più avanti. Trova il modulo dell’angolo di torsione φC dell’estremo C, in gradi.

d = 40 mmTB = 250 N·mTC = 250 N·mAB = 2,5 mBC = 0,5 mG = 80 GPa
φC = °
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 50σy​ = 10τxy​ = 10MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 50 MPa, σᵧ = 10 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (trazione positiva). Trova la massima tensione tangenziale nel piano τmax.

σx = 50 MPaσy = 10 MPaτxy = 10 MPa
τmax = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​τxy​superficie superiore dell’albero

Un albero pieno di diametro 50 mm porta un momento flettente di 200 N·m insieme a un momento torcente di 250 N·m. Sulla superficie superiore, dove la tensione di flessione è di trazione e massima, trova la tensione principale massima σ1.

d = 50 mmM = 200 N·mT = 250 N·m
σ1 = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 25 mmAlluminio2,5 mP = 75 kN

Trova l’allungamento δ della barra di alluminio sotto il carico assiale.

P = 75 kNd = 25 mmL = 2,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 30 mmRame0,5 mØ 12 mmAlluminio1,5 mP = 75 kN

La barra a gradini è incastrata alla parete e caricata all’estremo libero. Trova la tensione normale massima σmax nella barra.

P = 75 kNtratto 1: Ø30 mm, 0,5 m, rame (E = 117 GPa)tratto 2: Ø12 mm, 1,5 m, alluminio (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 4 m30 × 100 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in acciaio è incastrata alla base e incernierata in cima. Usando la formula di Eulero, trova il suo carico critico Pcr.

L = 4 mE = 200 GPa (acciaio)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 4 md = 40 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in alluminio è incastrata alla base e incernierata in cima. Trova la sua snellezza e la tensione critica σcr dalla formula di Eulero.

L = 4 mE = 70 GPa (alluminio)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 12 kN/mζ = 0,6m = 5 kg

Una massa di 5 kg su una molla con rigidezza di 12 kN/m ha uno smorzatore viscoso che dà un fattore di smorzamento di 0,6. Trova la frequenza naturale smorzata fd delle sue vibrazioni libere in Hz.

m = 5 kgk = 12 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 80k2​ = 20m = 5 kg

Una massa di 5 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 80 kN/m e k₂ = 20 kN/m. La massa resta orizzontale. Trova la rigidezza equivalente keq del sistema di molle in kN/m.

m = 5 kgk1 = 80 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 4,712 kW

Trasmissioni a cinghia: senza slittamento, entrambe le pulegge hanno la stessa velocità periferica v = π·d·n/60, quindi n₁·d₁ = n₂·d₂ e il rapporto di velocità è d₂/d₁. Lo slittamento s rende la puleggia condotta un po’ più lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potenza trasmessa è P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensione sul lato teso e T₂ sul lato lento. L’attrito limita il rapporto tra le tensioni: T₁/T₂ = eμθ, dove θ è l’angolo di avvolgimento in radianti sulla puleggia più piccola; per una cinghia aperta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con interasse C.

Velocità della cinghia

v = 15,71 m/s

Potenza

P = (400 − 100)·15,71 = 4712 W = 4,712 kW

Risposta

P = 4,712 kW
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: θ = 163,9 °

Trasmissioni a cinghia: senza slittamento, entrambe le pulegge hanno la stessa velocità periferica v = π·d·n/60, quindi n₁·d₁ = n₂·d₂ e il rapporto di velocità è d₂/d₁. Lo slittamento s rende la puleggia condotta un po’ più lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potenza trasmessa è P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensione sul lato teso e T₂ sul lato lento. L’attrito limita il rapporto tra le tensioni: T₁/T₂ = eμθ, dove θ è l’angolo di avvolgimento in radianti sulla puleggia più piccola; per una cinghia aperta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con interasse C.

Angolo della cinghia

asin(0,14) = 8,048°

Angolo di avvolgimento

θ = 180 − 2·8,048 = 163,9°

Risposta

θ = 163,9°
3.Torsione degli alberi

Risposta: d = 57,88 mm

Torsione degli alberi circolari: la tensione tangenziale cresce linearmente da zero al centro fino a τmax = T·r/J in superficie, con J = πd⁴/32 per un albero pieno e J = π(do⁴ − di⁴)/32 per uno cavo. L’angolo di torsione è φ = TL/(GJ) in radianti. Potenza e momento torcente sono legati da P = T·ω.

Momento d’inerzia polare richiesto

T = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
L = 1,5 m = 1500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 1,5 × 10⁶·1500/(39000·0,05236) = 1,102 × 10⁶ mm⁴

Diametro

d = (32J/π)1/4 = 57,88 mm

Risposta

d = 57,88 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

4.Torsione degli alberi

Risposta: φC = 3,918 °

Torsione degli alberi circolari: la tensione tangenziale cresce linearmente da zero al centro fino a τmax = T·r/J in superficie, con J = πd⁴/32 per un albero pieno e J = π(do⁴ − di⁴)/32 per uno cavo. L’angolo di torsione è φ = TL/(GJ) in radianti. Potenza e momento torcente sono legati da P = T·ω.

Momenti torcenti interni

Verso di TC assunto come positivo.

TBC = TC = 250 N·m
TAB = TC + TB = 250 + 250 = 500 N·m

Torsione di ciascun tratto

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 500000·2500/(80000·251327) = 0,06217 rad
φBC = 250000·500/(80000·251327) = 0,006217 rad

Torsione dell’estremo C

φC = 0,06217 + 0,006217 = 0,06839 rad → |φC| = 3,918°

Risposta

φC = 3,918°
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τmax = 22,36 MPa

Trasformazione della tensione piana: su un piano ruotato di θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Il cerchio di Mohr mostra tutti i piani contemporaneamente: il suo centro è in C = (σₓ + σᵧ)/2 e il raggio è R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Le tensioni principali sono C ± R, e la massima tensione tangenziale nel piano è R.

στxyCτmax​

Raggio del cerchio di Mohr

τmax = R = √(((50 − 10)/2)² + 10²) = 22,36 MPa

Risposta

τmax = 22,36 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σ1 = 21,19 MPa

Trasformazione della tensione piana: su un piano ruotato di θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Il cerchio di Mohr mostra tutti i piani contemporaneamente: il suo centro è in C = (σₓ + σᵧ)/2 e il raggio è R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Le tensioni principali sono C ± R, e la massima tensione tangenziale nel piano è R.

Tensioni in superficie

σ = 32M/(πd³) = 32·200000/(π·50³) = 16,3 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·250000/(π·50³) = 10,19 MPa
στxyCσ1​σ2​

Cerchio di Mohr

C = σ/2 = 8,149 MPa
R = √(8,149² + 10,19²) = 13,04 MPa
σ1 = C + R = 21,19 MPa
σ2 = C − R = −4,896 MPa

Risposta

σ1 = 21,19 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 5,457 mm

Legge di Hooke: nel campo elastico σ = E·ε. Combinandola con σ = P/A e ε = δ/L si ottiene δ = PL/(AE).

Tensione

A = π·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 75·1000/490,9 = 152,8 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for alluminio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 152,8/70000 = 0,002183 = 2183 µε

Allungamento

δ = ε·L = 0,002183·2500 mm = 5,457 mm

Risposta

δ = 5,457 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: σmax = 663,1 MPa

Elementi caricati assialmente: ogni tratto prismatico segue δ = PL/(AE). Per elementi in serie gli allungamenti si sommano.

Stessa forza in entrambi i tratti

L’estremo libero porta P, quindi ogni sezione della barra porta la stessa forza assiale P. Cambiano solo aree e materiali.

A1 = π·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 106,1 MPa
σ2 = 663,1 MPa

Tensione massima

Il tratto più sottile ha l’area minore, quindi porta la tensione maggiore.

σmax = 663,1 MPa

Risposta

σmax = 663,1 MPa
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 56,65 kN

Instabilità euleriana: una colonna snella diventa instabile a Pcr = π²EI/(KL)², dove KL è la lunghezza libera d’inflessione: K = 1 per cerniera–cerniera, 2 per incastro–libero, 0,7 per incastro–cerniera e 0,5 per incastro–incastro. Sbanda attorno all’asse con I minore. La formula vale per colonne snelle, la cui tensione critica resta sotto la tensione di snervamento.

Momento d’inerzia minimo

Un rettangolo sbanda attorno al suo asse debole, usando il cubo della dimensione minore.

Imin = h·b³/12 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·225000/2800² = 56650 N = 56,65 kN

Risposta

Pcr = 56,65 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 8,812 MPa

Instabilità euleriana: una colonna snella diventa instabile a Pcr = π²EI/(KL)², dove KL è la lunghezza libera d’inflessione: K = 1 per cerniera–cerniera, 2 per incastro–libero, 0,7 per incastro–cerniera e 0,5 per incastro–incastro. Sbanda attorno all’asse con I minore. La formula vale per colonne snelle, la cui tensione critica resta sotto la tensione di snervamento.

Momento d’inerzia minimo

Una sezione circolare ha lo stesso I rispetto a ogni asse.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/10 = 280

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/280² = 8,812 MPa

Risposta

σcr = 8,812 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fd = 6,238 Hz

Vibrazioni libere di un sistema massa–molla: la pulsazione naturale non smorzata è ωn = √(k/m) in rad/s, e fn = ωn/(2π) in Hz. Uno smorzatore viscoso c dà il fattore di smorzamento ζ = c/cc, con smorzamento critico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un sistema sottosmorzato (ζ < 1) oscilla a ωd = ωn·√(1 − ζ²). Le molle in parallelo si sommano, k = k₁ + k₂; le molle in serie si sommano come reciproci, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Frequenza naturale non smorzata

ωn = √(12000/5) = 48,99 rad/s
fn = 48,99/(2π) = 7,797 Hz

Frequenza naturale smorzata

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7,797·√(1 − 0,6²) = 6,238 Hz

Risposta

fd = 6,238 Hz
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: keq = 100 kN/m

Vibrazioni libere di un sistema massa–molla: la pulsazione naturale non smorzata è ωn = √(k/m) in rad/s, e fn = ωn/(2π) in Hz. Uno smorzatore viscoso c dà il fattore di smorzamento ζ = c/cc, con smorzamento critico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un sistema sottosmorzato (ζ < 1) oscilla a ωd = ωn·√(1 − ζ²). Le molle in parallelo si sommano, k = k₁ + k₂; le molle in serie si sommano come reciproci, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Rigidezza equivalente

Le molle affiancate hanno la stessa deformazione e sommano le loro forze, quindi le rigidezze si sommano semplicemente: k = k1 + k2.

keq = 80 + 20 = 100 kN/m

Risposta

keq = 100 kN/m

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