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
N1​ = 20N2​ = 72

Un motore da 4 kW che gira a 960 rpm aziona un pignone con 20 denti, che ingrana con una ruota con 72 denti. Trascura le perdite. Trova il momento torcente T1 sull’albero del motore.

P = 4 kWn1 = 960 rpmN1 = 20N2 = 72η = 100%
T1 = N·m
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 150 mmd2​ = 250 mm1450 rpmC = 600 mmθ = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia da 150 mm e una puleggia da 250 mm con gli assi a 600 mm di distanza. Trova l’angolo di avvolgimento θ sulla puleggia più piccola, in gradi.

d1 = 150 mmd2 = 250 mmC = 600 mm
θ = °
3.Torsione degli alberiMedia
do​ = 75, di​ = 38 mmT = 2000 N·mL = 1,2 m

Un albero cavo in alluminio (diametro esterno 75 mm, diametro interno 38 mm, lunghezza 1,2 m) è incastrato a un’estremità e torto da un momento torcente di 2000 N·m all’altra. Trova l’angolo di torsione φ in gradi.

T = 2000 N·mdo = 75 mmdi = 38 mmL = 1,2 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsione degli alberiDifficile
Tdo​ = 75 mm, di​ = 38 mm

Un albero cavo trasmette 100 kW a 1000 giri/min. Trova la tensione tangenziale massima τmax nell’albero.

P = 100 kWN = 1000 rpmdo = 75 mmdi = 38 mm
τmax = MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = −20σy​ = 40τxy​ = 50MPa

Un punto ha σₓ = −20 MPa, σᵧ = 40 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (trazione positiva). Trova l’angolo θs, compreso tra −90° e 90°, dall’asse x alla normale del piano su cui la tensione tangenziale ha il suo valore massimo positivo +R (tangenziale positiva nello stesso verso di τₓᵧ).

σx = −20 MPaσy = 40 MPaτxy = 50 MPa
θs = °
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 500 N·m insieme a un momento torcente di 750 N·m. Sulla superficie superiore, dove la tensione di flessione è di trazione e massima, trova la tensione tangenziale massima nel piano τmax.

d = 50 mmM = 500 N·mT = 750 N·m
τmax = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 16 mmAcciaio2,5 mP = 115 kN

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

P = 115 kNd = 16 mmL = 2,5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 35 mmAcciaio2 mØ 16 mmAcciaio1 mP = 65 kN

La barra a gradini è incastrata alla parete e caricata all’estremo libero. Trova l’allungamento totale δ.

P = 65 kNtratto 1: Ø35 mm, 2 m, acciaio (E = 200 GPa)tratto 2: Ø16 mm, 1 m, acciaio (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 5 md = 40 mmsezione trasversale

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

L = 5 mE = 200 GPa (acciaio)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 2 md = 25 mmsezione trasversale

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

L = 2 mE = 70 GPa (alluminio)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 12 kN/mζ = 0,6m = 25 kg

Una massa di 25 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 = 25 kgk = 12 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 25k2​ = 30k3​ = 20m = 10 kg

Una massa di 10 kg è appesa alla molla k₃ = 20 kN/m. L’estremità superiore di k₃ è fissata a una barra rigida appesa a due molle affiancate, k₁ = 25 kN/m e k₂ = 30 kN/m; la barra resta orizzontale. Trascura lo smorzamento e le masse delle molle e della barra. Trova la frequenza naturale fn delle vibrazioni verticali in Hz.

m = 10 kgk1 = 25 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T1 = 39,79 N·m

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.

Momento torcente del motore

ω₁ = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/100,5 = 39,79 N·m

Risposta

T1 = 39,79 N·m
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: θ = 170,4 °

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(0,08333) = 4,78°

Angolo di avvolgimento

θ = 180 − 2·4,78 = 170,4°

Risposta

θ = 170,4°
3.Torsione degli alberi

Risposta: φ = 1,823 °

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

J = π(75⁴ − 38⁴)/32 = 2,902 × 10⁶ mm⁴

Angolo di torsione

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
L = 1,2 m = 1200 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 2 × 10⁶·1200/(26000·2,902 × 10⁶) = 0,03181 rad
φ = 0,03181·180/π = 1,823°

Risposta

φ = 1,823°
4.Torsione degli alberi

Risposta: τmax = 12,34 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 = 100000/104,7 = 954,9 N·m

Momento d’inerzia polare

J = π(75⁴ − 38⁴)/32 = 2,902 × 10⁶ mm⁴

Tensione tangenziale massima

τmax = T·(do/2)/J = 954930·37,5/2,902 × 10⁶ = 12,34 MPa

Risposta

τmax = 12,34 MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: θs = 15,48 °

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​

Angolo sul cerchio

Sul cerchio di Mohr il punto più alto (+R) è a 90° dal punto principale σ₁; sull’elemento questo corrisponde a 45°.

cos 2θs = 50/58,31 = 0,8575, sin 2θs = −(−30)/58,31 = 0,5145
2θs = atan2(30, 50) = 30,96°

Angolo sull’elemento

θs = 15,48°
verifica: θs − θp = 15,48 − 60,48 = −45°

Risposta

θs = 15,48°

Gli angoli positivi sono in senso antiorario.

6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τmax = 36,73 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) = 32·500000/(π·50³) = 40,74 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·750000/(π·50³) = 30,56 MPa
στxyCτmax​

Cerchio di Mohr

C = σ/2 = 20,37 MPa
R = √(20,37² + 30,56²) = 36,73 MPa

Risposta

τmax = 36,73 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: ε = 2860 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 115·1000/201,1 = 572 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for acciaio = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 572/200000 = 0,00286 = 2860 µε

Risposta

ε = 2860 µε
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 2,292 mm

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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 67,56 MPa
σ2 = 323,3 MPa

Somma gli allungamenti dei tratti

δ1 = σ1L1/E1 = 67,56·2000/200000 = 0,6756 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 323,3·1000/200000 = 1,616 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,292 mm

Risposta

δ = 2,292 mm
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 9,922 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 1·5000 = 5000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/5000² = 9922 N = 9,922 kN

Risposta

Pcr = 9,922 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 6,747 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 1·2000 = 2000 mm
KL/r = 2000/6,25 = 320

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/320² = 6,747 MPa

Risposta

σcr = 6,747 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fd = 2,79 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 = √(12000/25) = 21,91 rad/s
fn = 21,91/(2π) = 3,487 Hz

Frequenza naturale smorzata

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,487·√(1 − 0,6²) = 2,79 Hz

Risposta

fd = 2,79 Hz
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 6,095 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

Solo k1 e k2 sono in parallelo. Questa coppia è in serie con k3, quindi combinale come reciproci.

k12 = 25 + 30 = 55 kN/m
keq = 55·20/(55 + 20) = 14,67 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(14667/10) = 38,3 rad/s
fn = 38,3/(2π) = 6,095 Hz

Risposta

fn = 6,095 Hz

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