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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​ = 200 mmd2​ = 450 mm720 rpmn2​ = ?

Una puleggia da 200 mm a 720 giri/min aziona con una cinghia una puleggia da 450 mm con slittamento del 1 %. Trova la velocità n2 della puleggia condotta.

n1 = 720 rpmd1 = 200 mmd2 = 450 mms = 1 %
n2 = rpm
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 20B = 80C = 30D = 36

In un rotismo composto, la ruota A (20 denti) sull’albero di ingresso, che gira a 1500 rpm, aziona la ruota B (80 denti). La ruota C (30 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D (36 denti) sull’albero di uscita. Trova la velocità di uscita nout.

nin = 1500 rpmA = 20B = 80C = 30D = 36
nout = rpm
3.Torsione degli alberiMedia
d1​ = 40 mmd2​ = 30 mmT = 200 N·mABC1,2 m1 m

Un albero pieno a gradini in ottone è incastrato in A. Il tratto AB ha diametro 40 mm e lunghezza 1,2 m; il tratto BC ha diametro 30 mm e lunghezza 1 m. Un momento torcente di 200 N·m agisce all’estremo libero C. Trova la tensione tangenziale massima τmax nell’albero.

T = 200 N·md1 = 40 mm, L1 = 1,2 md2 = 30 mm, L2 = 1 m
τmax = MPa
4.Torsione degli alberiDifficile
Tdo​ = 40 mm, di​ = 24 mm

Un albero cavo trasmette 75 kW a 1000 giri/min. Trova la tensione tangenziale massima τmax nell’albero.

P = 75 kWN = 1000 rpmdo = 40 mmdi = 24 mm
τmax = MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 50σy​ = −20τxy​ = 20MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 50 MPa, σᵧ = −20 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (trazione positiva). Trova l’angolo θp dall’asse x alla direzione della tensione principale massima, compreso tra −90° e 90°.

σx = 50 MPaσy = −20 MPaτxy = 20 MPa
θp = °
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = −40σy​ = 50τxy​ = −10MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = −40 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = −10 MPa (trazione positiva). Trova la tensione tangenziale τθ su un piano la cui normale è ruotata di 60° in senso antiorario rispetto all’asse x (positiva nello stesso senso di τₓᵧ).

σx = −40 MPaσy = 50 MPaτxy = −10 MPaθ = 60°
τθ = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 25 mmOttone0,5 mP = 35 kN

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

P = 35 kNd = 25 mmL = 0,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
P = ?Ø30120 GPaØ120/50400 mm

Un’asta di acciaio (diametro 30 mm, E = 200 GPa, tensione ammissibile 250 MPa) sta dentro un tubo di rame (diametro esterno 120 mm, diametro interno 50 mm, E = 120 GPa, tensione ammissibile 70 MPa). Sono compressi insieme tra piastre rigide. Trova il massimo carico Pmax.

asta: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 70 MPa
Pmax = kN
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 3 m20 × 40 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in acciaio è incastrata a entrambi gli estremi. Usando la formula di Eulero, trova il suo carico critico Pcr.

L = 3 mE = 200 GPa (acciaio)b × h = 20 × 40 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 3 md = 60 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in acciaio è incastrata a entrambi gli estremi. Trova la sua snellezza e la tensione critica σcr dalla formula di Eulero.

L = 3 mE = 200 GPa (acciaio)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
tx10 mm3 cicli2,2 mm

In una prova di vibrazioni libere su un sistema massa–molla smorzato, a un picco di spostamento di 10 mm segue, 3 cicli dopo, un picco di 2,2 mm. Trova il fattore di smorzamento ζ.

x0 = 10 mmx3 = 2,2 mmn = 3
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 50k2​ = 60m = 5 kg

Una massa di 5 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 50 kN/m e k₂ = 60 kN/m. La massa resta orizzontale. Trascura lo smorzamento e le masse delle molle. Trova la frequenza naturale fn delle vibrazioni verticali in Hz.

m = 5 kgk1 = 50 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: n2 = 316,8 rpm

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 senza slittamento

720·200/450 = 320 rpm

Con slittamento

n2 = 320·0,99 = 316,8 rpm

Risposta

n2 = 316,8 rpm
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: nout = 312,5 rpm

Rotismi: le ruote dentate in presa hanno la stessa velocità sui denti, quindi n₁·N₁ = n₂·N₂: la ruota con meno denti gira più veloce. Le ruote calettate sullo stesso albero girano alla stessa velocità. La potenza si trasmette (a meno delle perdite), quindi il momento torcente aumenta quando la velocità diminuisce: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, e P = T·ω con ω = 2π·n/60.

Primo stadio

nB = 1500·20/80 = 375 rpm = nC

Secondo stadio

nout = 375·30/36 = 312,5 rpm

Risposta

nout = 312,5 rpm

rapporto totale = 4,8 : 1

3.Torsione degli alberi

Risposta: τmax = 37,73 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.

Tensione in ciascun tratto

T = 200 N·m = 200000 N·mm
τAB = 16·200000/(π·40³) = 15,92 MPa
τBC = 16·200000/(π·30³) = 37,73 MPa

Risposta

τmax = 37,73 MPa
4.Torsione degli alberi

Risposta: τmax = 65,48 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.

Momento torcente

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 75000/104,7 = 716,2 N·m

Momento d’inerzia polare

J = π(40⁴ − 24⁴)/32 = 218755 mm⁴

Tensione tangenziale massima

τmax = T·(do/2)/J = 716197·20/218755 = 65,48 MPa

Risposta

τmax = 65,48 MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: θp = 14,87 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Angolo sul cerchio

Sul cerchio di Mohr il punto x si trova a un angolo 2θp dall’asse σ; il quadrante dipende dai segni di σₓ − σᵧ e τₓᵧ.

2θp = atan2(2·20, 50 − −20) = 29,74°

Angolo sull’elemento

θp = 14,87°

Risposta

θp = 14,87°

Gli angoli positivi sono in senso antiorario.

6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τθ = 43,97 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 = −−45·0,866 + −10·−0,5 = 43,97 MPa

Risposta

τθ = 43,97 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 0,3565 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 = 35·1000/490,9 = 71,3 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for ottone = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 71,3/100000 = 0,000713 = 713 µε

Allungamento

δ = ε·L = 0,000713·500 mm = 0,3565 mm

Risposta

δ = 0,3565 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: Pmax = 736,7 kN

Due materiali: in serie (uno dopo l’altro) ogni tratto porta la stessa forza e gli allungamenti si sommano: δ = P·Σ L/(E·A). In parallelo (affiancati tra piastre rigide) entrambe le parti si accorciano della stessa quantità, quindi le deformazioni sono uguali: la parte più rigida prende la quota maggiore, Pi = P·EiAi/ΣEA, e σi = Ei·ε. Una barra tenuta tra due pareti rigide con un carico nella giunzione è staticamente indeterminata: i due tratti si dividono il carico in proporzione alla loro rigidezza k = EA/L.

Aree

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

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·706,9 + 120·10³·9346 = 1,263 × 10⁹ N

Deformazione governante

ε = min(0,00125, 0,0005833) = 0,0005833 (rame)

Carico massimo

Pmax = 0,0005833·1,263 × 10⁹ = 736703 N = 736,7 kN

Risposta

Pmax = 736,7 kN
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 23,39 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 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·26667/1500² = 23395 N = 23,39 kN

Risposta

Pcr = 23,39 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 197,4 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,5·3000 = 1500 mm
KL/r = 1500/15 = 100

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/100² = 197,4 MPa

Risposta

σcr = 197,4 MPa
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(10/2,2) = 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: fn = 23,61 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.

Rigidezza equivalente

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

keq = 50 + 60 = 110 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(110000/5) = 148,3 rad/s
fn = 148,3/(2π) = 23,61 Hz

Risposta

fn = 23,61 Hz

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