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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​N2​ = ?

Due alberi paralleli distano 90 mm. Devono essere collegati da una coppia di ruote dentate cilindriche a denti diritti con modulo di 2,5 mm e un rapporto di riduzione di 3,5 : 1. Quanti denti N2 deve avere la ruota?

a = 90 mmm = 2,5 mmi = 3,5
N2 =
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 20B = 40C = 32D = 72

In un rotismo composto, la ruota A (20 denti) sull’albero di ingresso, che gira a 2900 rpm, aziona la ruota B (40 denti). La ruota C (32 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D (72 denti) sull’albero di uscita. Trova la velocità di uscita nout.

nin = 2900 rpmA = 20B = 40C = 32D = 72
nout = rpm
3.Torsione degli alberiMedia
T = 200 N·md = 25 mmL = 1 mφ = ?

Un albero pieno di alluminio è incastrato alla parete e torto da un momento T all’estremo libero. Trova l’angolo di torsione φ dell’estremo libero, in gradi.

T = 200 N·md = 25 mmL = 1 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsione degli alberiDifficile
Td = ?

Un albero pieno deve trasmettere 20 kW a 500 giri/min senza che la tensione tangenziale superi 60 MPa. Trova il diametro minimo d adatto.

P = 20 kWN = 500 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 30σy​ = 100τxy​ = −50MPa

Un punto ha σₓ = 30 MPa, σᵧ = 100 MPa e τₓᵧ = −50 MPa (trazione positiva). L’elemento è ruotato di 30° in senso orario. Trova la tensione normale σy′ sulle facce dell’elemento ruotato perpendicolari all’asse ruotato y′.

σx = 30 MPaσy = 100 MPaτxy = −50 MPaθ = -30°
σy′ = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​τxy​superficie superiore dell’albero

Un albero pieno di diametro 30 mm porta un momento flettente di 300 N·m insieme a un momento torcente di 1500 N·m. Sulla superficie superiore, dove la tensione di flessione è di trazione e massima, trova la tensione principale massima σ1.

d = 30 mmM = 300 N·mT = 1500 N·m
σ1 = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
P = ?12400 mm400 mmØ25Ø30δ = 0,5 mm

Una barra è fatta di un tratto di acciaio (diametro 25 mm, lunghezza 400 mm, E = 200 GPa) unito testa a testa a un tratto di ottone (diametro 30 mm, lunghezza 400 mm, E = 100 GPa). È fissata a un’estremità e tirata all’altra. Trova il carico assiale P che la allunga di 0,5 mm in totale.

tratto 1: acciaio, Ø25 mm, 400 mm, E = 200 GPatratto 2: ottone, Ø30 mm, 400 mm, E = 100 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 30 mmAlluminio0,5 mØ 16 mmAlluminio0,5 mP = 45 kN

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

P = 45 kNtratto 1: Ø30 mm, 0,5 m, alluminio (E = 70 GPa)tratto 2: Ø16 mm, 0,5 m, alluminio (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 2 m20 × 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 = 2 mE = 70 GPa (alluminio)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 4 md = 50 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 = 4 mE = 70 GPa (alluminio)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 10 kN/mζ = 0,3m = 20 kg

Una massa di 20 kg su una molla con rigidezza di 10 kN/m ha uno smorzatore viscoso che dà un fattore di smorzamento di 0,3. Trova la frequenza naturale smorzata fd delle sue vibrazioni libere in Hz.

m = 20 kgk = 10 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 15k2​ = 80m = 20 kg

Una massa di 20 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 15 kN/m e k₂ = 80 kN/m. La massa resta orizzontale. Trova la rigidezza equivalente keq del sistema di molle in kN/m.

m = 20 kgk1 = 15 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: N2 = 56

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Numero totale di denti

N1 + N2 = 2a/m = 2·90/2,5 = 72

Ripartisci secondo il rapporto

N1 = 72/(1 + 3,5) = 16
N2 = 3,5·16 = 56

Risposta

N2 = 56
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: nout = 644,4 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 = 2900·20/40 = 1450 rpm = nC

Secondo stadio

nout = 1450·32/72 = 644,4 rpm

Risposta

nout = 644,4 rpm

rapporto totale = 4,5 : 1

3.Torsione degli alberi

Risposta: φ = 11,49 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Angolo di torsione

φ = TL/(GJ) = 200·1000·1000/(26000·38350) = 0,2006 rad
φ = 0,2006·180/π = 11,49°

Risposta

φ = 11,49°
4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 31,89 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 = 20000/52,36 = 382 N·m

Diametro dalla tensione ammissibile

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·381972/(π·60)) = 31,89 mm

Risposta

d = 31,89 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σy′ = 39,2 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 per la faccia y′

σy′ = 65 − (−35)·0,5 − (−50)·(−0,866) = 39,2 MPa

Verifica

La somma delle tensioni normali non cambia con la rotazione.

σx′ = 90,8 MPa, σx′ + σy′ = 130 = σx + σy

Risposta

σy′ = 39,2 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σ1 = 345,1 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) = 32·300000/(π·30³) = 113,2 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·30³) = 282,9 MPa
στxyCσ1​σ2​

Cerchio di Mohr

C = σ/2 = 56,59 MPa
R = √(56,59² + 282,9²) = 288,5 MPa
σ1 = C + R = 345,1 MPa
σ2 = C − R = −232 MPa

Risposta

σ1 = 345,1 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: P = 51,37 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 = 490,9 mm², A₂ = 706,9 mm²

Cedevolezze

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·490,9) = 4,074 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(100000·706,9) = 5,659 × 10⁻⁶ mm/N

Carico

P = 0,5/9,733 × 10⁻⁶ = 51371 N = 51,37 kN

Risposta

P = 51,37 kN
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 2,053 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 63,66 MPa
σ2 = 223,8 MPa

Somma gli allungamenti dei tratti

δ1 = σ1L1/E1 = 63,66·500/70000 = 0,4547 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 223,8·500/70000 = 1,599 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,053 mm

Risposta

δ = 2,053 mm
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 9,212 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 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 1·2000 = 2000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·53333/2000² = 9212 N = 9,212 kN

Risposta

Pcr = 9,212 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 1·4000 = 4000 mm
KL/r = 4000/12,5 = 320

Tensione critica

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

Risposta

σcr = 6,747 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fd = 3,395 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 = √(10000/20) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz

Frequenza naturale smorzata

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,559·√(1 − 0,3²) = 3,395 Hz

Risposta

fd = 3,395 Hz
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: keq = 95 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 = 15 + 80 = 95 kN/m

Risposta

keq = 95 kN/m

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