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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
N1​ = 20N2​ = 45

Un motore da 1,5 kW che gira a 1500 rpm aziona un pignone con 20 denti, che ingrana con una ruota con 45 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 96 %. Trova il momento torcente in uscita T2 sull’albero della ruota.

P = 1,5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 20N2 = 45η = 96%
T2 = N·m
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 160 mmd2​ = 400 mm720 rpmC = 1200 mmθ = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia da 160 mm e una puleggia da 400 mm con gli assi a 1200 mm di distanza. Trova l’angolo di avvolgimento θ sulla puleggia più piccola, in gradi.

d1 = 160 mmd2 = 400 mmC = 1200 mm
θ = °
3.Torsione degli alberiMedia
do​ = 50, di​ = 38 mmT = 250 N·mL = 3 m

Un albero cavo in acciaio (diametro esterno 50 mm, diametro interno 38 mm, lunghezza 3 m) è incastrato a un’estremità e torto da un momento torcente di 250 N·m all’altra. Trova l’angolo di torsione φ in gradi.

T = 250 N·mdo = 50 mmdi = 38 mmL = 3 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsione degli alberiDifficile
Td = ?

Un albero pieno deve trasmettere 5 kW a 500 giri/min senza che la tensione tangenziale superi 60 MPa. Trova il diametro minimo d adatto.

P = 5 kWN = 500 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 0σy​ = −40τxy​ = 30MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 0 MPa, σᵧ = −40 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (trazione positiva). Trova la massima tensione tangenziale nel piano τmax.

σx = 0 MPaσy = −40 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = −20σy​ = 100τxy​ = 40MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = −20 MPa, σᵧ = 100 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (trazione positiva). Trova la tensione normale σθ su un piano la cui normale è ruotata di 30° in senso orario rispetto all’asse x.

σx = −20 MPaσy = 100 MPaτxy = 40 MPaθ = -30°
σθ = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
P = ?12500 mm200 mmØ20Ø40δ = 0,25 mm

Una barra è fatta di un tratto di acciaio (diametro 20 mm, lunghezza 500 mm, E = 200 GPa) unito testa a testa a un tratto di rame (diametro 40 mm, lunghezza 200 mm, E = 120 GPa). È fissata a un’estremità e tirata all’altra. Trova il carico assiale P che la allunga di 0,25 mm in totale.

tratto 1: acciaio, Ø20 mm, 500 mm, E = 200 GPatratto 2: rame, Ø40 mm, 200 mm, E = 120 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
20 kN12300 mm500 mmØ25Ø50σ2​ = ?

Un tratto di acciaio (diametro 25 mm, lunghezza 300 mm, E = 200 GPa) e un tratto di bronzo (diametro 50 mm, lunghezza 500 mm, E = 110 GPa) sono uniti testa a testa e fissati tra due pareti rigide. Un carico assiale di 20 kN agisce nella giunzione, verso il tratto 2. Trova il modulo della tensione σ2 nel tratto 2.

tratto 1: acciaio, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPatratto 2: bronzo, Ø50 mm, 500 mm, E = 110 GPaP = 20 kN
σ2 = MPa
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 1,5 m30 × 80 mmsezione trasversale

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (alluminio)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
P = 70 kNL = 4 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in acciaio è incastrata a entrambi gli estremi. Deve portare 70 kN con un coefficiente di sicurezza di 2,5 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 70 kNn = 2,5L = 4 mE = 200 GPa (acciaio)
d = mm
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 10 kN/mζ = 0,35m = 40 kg

Una massa di 40 kg su una molla con rigidezza di 10 kN/m ha uno smorzatore viscoso che dà un fattore di smorzamento di 0,35. Trova la frequenza naturale smorzata fd delle sue vibrazioni libere in Hz.

m = 40 kgk = 10 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 5k2​ = 100k3​ = 30m = 100 kg

Una massa di 100 kg è appesa alla molla k₃ = 30 kN/m. L’estremità superiore di k₃ è fissata a una barra rigida appesa a due molle affiancate, k₁ = 5 kN/m e k₂ = 100 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 = 100 kgk1 = 5 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T2 = 20,63 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/157,1 = 9,549 N·m

Momento torcente in uscita

T2 = 9,549·45/20·0,96 = 20,63 N·m

Risposta

T2 = 20,63 N·m
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: θ = 168,5 °

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(0,1) = 5,739°

Angolo di avvolgimento

θ = 180 − 2·5,739 = 168,5°

Risposta

θ = 168,5°
3.Torsione degli alberi

Risposta: φ = 1,314 °

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(50⁴ − 38⁴)/32 = 408885 mm⁴

Angolo di torsione

T = 250 N·m = 250000 N·mm
L = 3 m = 3000 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 250000·3000/(80000·408885) = 0,02293 rad
φ = 0,02293·180/π = 1,314°

Risposta

φ = 1,314°
4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 20,09 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 torcente

ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 5000/52,36 = 95,49 N·m

Diametro dalla tensione ammissibile

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·95493/(π·60)) = 20,09 mm

Risposta

d = 20,09 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τmax = 36,06 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 = √(((0 − −40)/2)² + 30²) = 36,06 MPa

Risposta

τmax = 36,06 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σθ = −24,64 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 = 40 + −60·0,5 + 40·−0,866 = −24,64 MPa

Risposta

σθ = −24,64 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: P = 26,93 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

A₁ = 314,2 mm², A₂ = 1257 mm²

Cedevolezze

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·314,2) = 7,958 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(120000·1257) = 1,326 × 10⁻⁶ mm/N

Carico

P = 0,25/9,284 × 10⁻⁶ = 26928 N = 26,93 kN

Risposta

P = 26,93 kN
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: σ2 = 5,795 MPa

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.

Rigidezze

k₁ = 200000·490,9/300 = 327249 N/mm
k₂ = 110000·1963/500 = 431969 N/mm

Quota del tratto 2

F2 = 20000·431969/759218 = 11379 N

Tensione

σ2 = 11379/1963 = 5,795 MPa (compressione)

Risposta

σ2 = 5,795 MPa
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 55,27 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 1·1500 = 1500 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·180000/1500² = 55270 N = 55,27 kN

Risposta

Pcr = 55,27 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 51,84 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 = 2,5·70000 = 175000 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·175000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 51,84 mm

Risposta

d = 51,84 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 154,3, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fd = 2,357 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 = √(10000/40) = 15,81 rad/s
fn = 15,81/(2π) = 2,516 Hz

Frequenza naturale smorzata

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,516·√(1 − 0,35²) = 2,357 Hz

Risposta

fd = 2,357 Hz
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 2,431 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 = 5 + 100 = 105 kN/m
keq = 105·30/(105 + 30) = 23,33 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(23333/100) = 15,28 rad/s
fn = 15,28/(2π) = 2,431 Hz

Risposta

fn = 2,431 Hz

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