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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​ = 160 mmd2​ = 315 mm1500 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 500 NP = ?

Una cinghia scorre su una puleggia motrice da 160 mm a 1500 giri/min. La tensione è 1000 N sul lato teso e 500 N sul lato lento. Trova la potenza P trasmessa, in kW.

d1 = 160 mmn1 = 1500 rpmT1 = 1000 NT2 = 500 N
P = kW
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 120 mmd2​ = 250 mm1500 rpmC = 1200 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia motrice da 120 mm a 1500 giri/min a una puleggia da 250 mm; gli assi distano 1200 mm. Il coefficiente di attrito è 0,25 e la tensione sul lato teso non può superare 600 N. Trova la massima potenza P che la cinghia può trasmettere senza slittare, in kW (trascura gli effetti centrifughi).

d1 = 120 mmn1 = 1500 rpmd2 = 250 mmC = 1200 mmμ = 0,25T1 = 600 N
P = kW
3.Torsione degli alberiMedia
d1​ = 60 mmd2​ = 25 mmT = 400 N·mABC2,5 m1 m

Un albero pieno a gradini in acciaio è incastrato in A. Il tratto AB ha diametro 60 mm e lunghezza 2,5 m; il tratto BC ha diametro 25 mm e lunghezza 1 m. Un momento torcente di 400 N·m agisce all’estremo libero C. Trova la tensione tangenziale massima τmax nell’albero.

T = 400 N·md1 = 60 mm, L1 = 2,5 md2 = 25 mm, L2 = 1 m
τmax = MPa
4.Torsione degli alberiDifficile
d = 40 mmTB​ = 400 N·mTC​ = 250 N·mABC1 m0,5 m

Un albero pieno in alluminio di diametro 40 mm è incastrato in A. Un momento torcente di 400 N·m agisce in B, a 1 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 la tensione tangenziale massima τmax nell’albero.

d = 40 mmTB = 400 N·mTC = 250 N·mAB = 1 mBC = 0,5 m
τmax = MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 80σy​ = 80τxy​ = −10MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 80 MPa, σᵧ = 80 MPa e τₓᵧ = −10 MPa (trazione positiva). Trova la massima tensione tangenziale nel piano τmax.

σx = 80 MPaσy = 80 MPaτxy = −10 MPa
τmax = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = 80σy​ = 70τxy​ = 30MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 80 MPa, σᵧ = 70 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (trazione positiva). Trova la tensione tangenziale τθ su un piano la cui normale è ruotata di 45° in senso orario rispetto all’asse x (positiva nello stesso senso di τₓᵧ).

σx = 80 MPaσy = 70 MPaτxy = 30 MPaθ = -45°
τθ = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 12 mmOttone1 mP = 90 kN

Trova la deformazione assiale ε nella barra di ottone, in microdeformazioni (µε = 10⁻⁶).

P = 90 kNd = 12 mmL = 1 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 25 mmRame1,5 mØ 20 mmOttone0,5 mP = 35 kN

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

P = 35 kNtratto 1: Ø25 mm, 1,5 m, rame (E = 117 GPa)tratto 2: Ø20 mm, 0,5 m, ottone (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 1 md = 30 mmsezione trasversale

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

L = 1 mE = 200 GPa (acciaio)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
P = 55 kNL = 6 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in alluminio è incastrata alla base e libera in cima. Deve portare 55 kN con un coefficiente di sicurezza di 3 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 55 kNn = 3L = 6 mE = 70 GPa (alluminio)
d = mm
11.Vibrazioni meccanicheMedia
tx50 mm3 cicli11 mm

In una prova di vibrazioni libere su un sistema massa–molla smorzato, a un picco di spostamento di 50 mm segue, 3 cicli dopo, un picco di 11 mm. Trova il fattore di smorzamento ζ.

x0 = 50 mmx3 = 11 mmn = 3
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 40k2​ = 15m = 100 kg

Una massa di 100 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 40 kN/m e k₂ = 15 kN/m. La massa resta orizzontale. Trova la rigidezza equivalente keq del sistema di molle in kN/m.

m = 100 kgk1 = 40 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 6,283 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 = 12,57 m/s

Potenza

P = (1000 − 500)·12,57 = 6283 W = 6,283 kW

Risposta

P = 6,283 kW
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 3,006 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.

Angolo di avvolgimento

θ = 3,033 rad

Tensione sul lato lento

eμθ = e0,7583 = 2,135, T₂ = 600/2,135 = 281,1 N

Potenza

P = (600 − 281,1)·9,425 = 3,006 kW

Risposta

P = 3,006 kW
3.Torsione degli alberi

Risposta: τmax = 130,4 MPa

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.

Tensione in ciascun tratto

T = 400 N·m = 400000 N·mm
τAB = 16·400000/(π·60³) = 9,431 MPa
τBC = 16·400000/(π·25³) = 130,4 MPa

Risposta

τmax = 130,4 MPa
4.Torsione degli alberi

Risposta: τmax = 51,73 MPa

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 + 400 = 650 N·m

Tensione tangenziale massima

Il tratto con il momento torcente interno maggiore ha la tensione maggiore (stesso diametro).

|T|max = 650 N·m
τmax = 16·650000/(π·40³) = 51,73 MPa

Risposta

τmax = 51,73 MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τmax = 10 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.

σxyCτmax​

Raggio del cerchio di Mohr

τmax = R = √(((80 − 80)/2)² + −10²) = 10 MPa

Risposta

τmax = 10 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τθ = 5 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.

Equazione di trasformazione

τθ = −5·−1 + 30·0 = 5 MPa

Risposta

τθ = 5 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: ε = 7958 µε

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 90·1000/113,1 = 795,8 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for ottone = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 795,8/100000 = 0,007958 = 7958 µε

Risposta

ε = 7958 µε
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: σmax = 111,4 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 71,3 MPa
σ2 = 111,4 MPa

Tensione massima

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

σmax = 111,4 MPa

Risposta

σmax = 111,4 MPa
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 19,62 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

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

I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 2·1000 = 2000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/2000² = 19621 N = 19,62 kN

Risposta

Pcr = 19,62 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 162,7 mm

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.

Carico critico richiesto

Pcr = n·P = 3·55000 = 165000 N
KL = 2·6000 = 12000 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·165000·12000²/(π³·70000))^(1/4) = 162,7 mm

Risposta

d = 162,7 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 295, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,08007

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.

Decremento logaritmico

δ = (1/3)·ln(50/11) = 0,5047

Fattore di smorzamento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5047/√(39,48 + 0,2547) = 0,08007

Risposta

ζ = 0,08007
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: keq = 55 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 = 40 + 15 = 55 kN/m

Risposta

keq = 55 kN/m

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