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​ = 80 mmd2​ = 250 mm1440 rpmn2​ = ?

Una puleggia da 80 mm a 1440 giri/min aziona con una cinghia una puleggia da 250 mm con slittamento del 3 %. Trova la velocità n2 della puleggia condotta.

n1 = 1440 rpmd1 = 80 mmd2 = 250 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 80 mmd2​ = 400 mm2880 rpmC = 1000 mmθ = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia da 80 mm e una puleggia da 400 mm con gli assi a 1000 mm di distanza. Trova l’angolo di avvolgimento θ sulla puleggia più piccola, in gradi.

d1 = 80 mmd2 = 400 mmC = 1000 mm
θ = °
3.Torsione degli alberiMedia
d1​ = 50 mmd2​ = 30 mmT = 200 N·mABC1,2 m0,8 m

Un albero pieno a gradini in acciaio è incastrato in A. Il tratto AB ha diametro 50 mm e lunghezza 1,2 m; il tratto BC ha diametro 30 mm e lunghezza 0,8 m. Un momento torcente di 200 N·m agisce all’estremo libero C. Trova l’angolo di torsione φC dell’estremo C, in gradi.

T = 200 N·md1 = 50 mm, L1 = 1,2 md2 = 30 mm, L2 = 0,8 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torsione degli alberiDifficile
d = 60 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 250 N·mABC1,5 m1 m

Un albero pieno in acciaio di diametro 60 mm è incastrato in A. Un momento torcente di 500 N·m agisce in B, a 1,5 m da A, e un momento torcente di 250 N·m nello stesso verso agisce all’estremo libero C, 1 m più avanti. Trova il modulo dell’angolo di torsione φC dell’estremo C, in gradi.

d = 60 mmTB = 500 N·mTC = 250 N·mAB = 1,5 mBC = 1 mG = 80 GPa
φC = °
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 50σy​ = −40τxy​ = 60MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 50 MPa, σᵧ = −40 MPa e τₓᵧ = 60 MPa (trazione positiva). Trova l’angolo θp dall’asse x alla direzione della tensione principale massima, compreso tra −90° e 90°.

σx = 50 MPaσy = −40 MPaτxy = 60 MPa
θp = °
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = 90σy​ = 50τxy​ = 30MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 90 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (trazione positiva). Trova la tensione normale σθ su un piano la cui normale è ruotata di 40° in senso antiorario rispetto all’asse x.

σx = 90 MPaσy = 50 MPaτxy = 30 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
250 kNØ25100 GPaØ100/50300 mmδ = ?

Un’asta di acciaio (diametro 25 mm, E = 200 GPa) sta dentro un tubo di ottone (diametro esterno 100 mm, diametro interno 50 mm, E = 100 GPa). Entrambi sono lunghi 300 mm e sono compressi insieme tra piastre rigide da 250 kN. Trova l’accorciamento δ.

P = 250 kNasta: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
P = ?Ø30120 GPaØ100/70600 mm

Un’asta di acciaio (diametro 30 mm, E = 200 GPa, tensione ammissibile 160 MPa) sta dentro un tubo di rame (diametro esterno 100 mm, diametro interno 70 mm, E = 120 GPa, tensione ammissibile 100 MPa). Sono compressi insieme tra piastre rigide. Trova il massimo carico Pmax.

asta: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 120 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 5 m25 × 60 mmsezione trasversale

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

L = 5 mE = 70 GPa (alluminio)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 4 md = 60 mmsezione trasversale

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

L = 4 mE = 200 GPa (acciaio)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 100 kN/mc = 450 N·s/mm = 50 kg

Una massa di 50 kg è sostenuta da una molla con rigidezza di 100 kN/m e da uno smorzatore viscoso con coefficiente di smorzamento di 450 N·s/m. Trova il fattore di smorzamento ζ.

m = 50 kgk = 100 kN/mc = 450 N·s/m
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 80k2​ = 15k3​ = 40m = 20 kg

Una massa di 20 kg è appesa alla molla k₃ = 40 kN/m. L’estremità superiore di k₃ è fissata a una barra rigida appesa a due molle affiancate, k₁ = 80 kN/m e k₂ = 15 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 = 20 kgk1 = 80 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: n2 = 447 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

1440·80/250 = 460,8 rpm

Con slittamento

n2 = 460,8·0,97 = 447 rpm

Risposta

n2 = 447 rpm
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: θ = 161,6 °

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(0,16) = 9,207°

Angolo di avvolgimento

θ = 180 − 2·9,207 = 161,6°

Risposta

θ = 161,6°
3.Torsione degli alberi

Risposta: φC = 1,721 °

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 d’inerzia polari

J1 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
J2 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Torsione di ciascun tratto

T = 200 N·m = 200000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 200000·1200/(80000·613592) = 0,004889 rad
φBC = 200000·800/(80000·79522) = 0,02515 rad

Torsione totale

φC = 0,004889 + 0,02515 = 0,03004 rad = 1,721°

Risposta

φC = 1,721°
4.Torsione degli alberi

Risposta: φC = 0,774 °

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 + 500 = 750 N·m

Torsione di ciascun tratto

J = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 750000·1500/(80000·1,272 × 10⁶) = 0,01105 rad
φBC = 250000·1000/(80000·1,272 × 10⁶) = 0,002456 rad

Torsione dell’estremo C

φC = 0,01105 + 0,002456 = 0,01351 rad → |φC| = 0,774°

Risposta

φC = 0,774°
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: θp = 26,57 °

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(2·60, 50 − −40) = 53,13°

Angolo sull’elemento

θp = 26,57°

Risposta

θp = 26,57°

Gli angoli positivi sono in senso antiorario.

6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σθ = 103 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

σθ = 70 + 20·0,1736 + 30·0,9848 = 103 MPa

Risposta

σθ = 103 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 0,1091 mm

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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·5890 = 6,872 × 10⁸ N

Accorciamento

δ = 250000·300/6,872 × 10⁸ = 0,1091 mm

Risposta

δ = 0,1091 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: Pmax = 497,6 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(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·706,9 + 120·10³·4006 = 6,22 × 10⁸ N

Deformazione governante

ε = min(0,0008, 0,0008333) = 0,0008 (acciaio)

Carico massimo

Pmax = 0,0008·6,22 × 10⁸ = 497628 N = 497,6 kN

Risposta

Pmax = 497,6 kN
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 8,636 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 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·78125/2500² = 8636 N = 8,636 kN

Risposta

Pcr = 8,636 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 27,76 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 = 1·4000 = 4000 mm
KL/r = 4000/15 = 266,7

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/266,7² = 27,76 MPa

Risposta

σcr = 27,76 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,1006

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.

Smorzamento critico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(100000·50) = 4472 N·s/m

Fattore di smorzamento

ζ = c/cc = 450/4472 = 0,1006

Risposta

ζ = 0,1006

ζ < 1, quindi il sistema è sottosmorzato e oscilla mentre si smorza.

12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 5,971 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 = 80 + 15 = 95 kN/m
keq = 95·40/(95 + 40) = 28,15 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(28148/20) = 37,52 rad/s
fn = 37,52/(2π) = 5,971 Hz

Risposta

fn = 5,971 Hz

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