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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​ = 80 mmd2​ = 400 mm720 rpmT1​ = 800 NT2​ = 160 NP = ?

Una cinghia scorre su una puleggia motrice da 80 mm a 720 giri/min. La tensione è 800 N sul lato teso e 160 N sul lato lento. Trova la potenza P trasmessa, in kW.

d1 = 80 mmn1 = 720 rpmT1 = 800 NT2 = 160 N
P = kW
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 150 mmd2​ = 315 mm720 rpmC = 1200 mmθ = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia da 150 mm e una puleggia da 315 mm con gli assi a 1200 mm di distanza. Trova l’angolo di avvolgimento θ sulla puleggia più piccola, in gradi.

d1 = 150 mmd2 = 315 mmC = 1200 mm
θ = °
3.Torsione degli alberiMedia
T = 750 N·md = 40 mmL = 1,2 mφ = ?

Un albero pieno di acciaio 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 = 750 N·md = 40 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsione degli alberiDifficile
do​ = ?20 kW, 750 rpm

Un albero cavo deve trasmettere 20 kW a 750 rpm. Il suo diametro interno deve essere 0,6 volte il diametro esterno, e la tensione tangenziale non deve superare 50 MPa. Trova il diametro esterno minimo do.

P = 20 kWN = 750 rpmdi/do = 0,6τallow = 50 MPa
do = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = −30σy​ = 60τxy​ = 30MPa

Un punto ha σₓ = −30 MPa, σᵧ = 60 MPa e τₓᵧ = 30 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 = −30 MPaσy = 60 MPaτxy = 30 MPa
θs = °
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = −10σy​ = −60τxy​ = −40MPa

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

σx = −10 MPaσy = −60 MPaτxy = −40 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 20 mmAlluminio0,5 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 20 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
P = ?Ø40120 GPaØ120/60400 mm

Un’asta di acciaio (diametro 40 mm, E = 200 GPa, tensione ammissibile 250 MPa) sta dentro un tubo di rame (diametro esterno 120 mm, diametro interno 60 mm, E = 120 GPa, tensione ammissibile 50 MPa). Sono compressi insieme tra piastre rigide. Trova il massimo carico Pmax.

asta: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 120 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 2,5 m40 × 50 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in alluminio è incastrata alla base e libera in cima. Usando la formula di Eulero, trova il suo carico critico Pcr.

L = 2,5 mE = 70 GPa (alluminio)b × h = 40 × 50 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
P = 30 kNL = 1,5 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in alluminio è incernierata a entrambi gli estremi. Deve portare 30 kN con un coefficiente di sicurezza di 3 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 30 kNn = 3L = 1,5 mE = 70 GPa (alluminio)
d = mm
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 150 kN/mζ = 0,4m = 20 kg

Una massa di 20 kg su una molla con rigidezza di 150 kN/m ha uno smorzatore viscoso che dà un fattore di smorzamento di 0,4. Trova la frequenza naturale smorzata fd delle sue vibrazioni libere in Hz.

m = 20 kgk = 150 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 30k2​ = 5m = 20 kg

Una massa di 20 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 30 kN/m e k₂ = 5 kN/m. La massa resta orizzontale. Trova la rigidezza equivalente keq del sistema di molle in kN/m.

m = 20 kgk1 = 30 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 1,93 kW

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 della cinghia

v = 3,016 m/s

Potenza

P = (800 − 160)·3,016 = 1930 W = 1,93 kW

Risposta

P = 1,93 kW
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: θ = 172,1 °

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(0,06875) = 3,942°

Angolo di avvolgimento

θ = 180 − 2·3,942 = 172,1°

Risposta

θ = 172,1°
3.Torsione degli alberi

Risposta: φ = 2,565 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Angolo di torsione

φ = TL/(GJ) = 750·1000·1200/(80000·251327) = 0,04476 rad
φ = 0,04476·180/π = 2,565°

Risposta

φ = 2,565°
4.Torsione degli alberi

Risposta: do = 31 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 20000/78,54 = 254,6 N·m

Diametro esterno dalla tensione ammissibile

T = 254,6 N·m = 254648 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·254648/(π·50·0,8704)) = 31 mm
di = 0,6·31 = 18,6 mm

Risposta

do = 31 mm

Un albero pieno richiederebbe d = 29,6 mm; quello cavo è un po’ più grande ma molto più leggero.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: θs = 28,15 °

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 = 30/54,08 = 0,5547, sin 2θs = −(−45)/54,08 = 0,8321
2θs = atan2(45, 30) = 56,31°

Angolo sull’elemento

θs = 28,15°
verifica: θs − θp = 28,15 − 73,15 = −45°

Risposta

θs = 28,15°

Gli angoli positivi sono in senso antiorario.

6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σθ = −78,73 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.

Equazione di trasformazione

σθ = −35 + 25·−0,1736 + −40·0,9848 = −78,73 MPa

Risposta

σθ = −78,73 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: ε = 3410 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 75·1000/314,2 = 238,7 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for alluminio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 238,7/70000 = 0,00341 = 3410 µε

Risposta

ε = 3410 µε
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: Pmax = 528,8 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·1257 + 120·10³·8482 = 1,269 × 10⁹ N

Deformazione governante

ε = min(0,00125, 0,0004167) = 0,0004167 (rame)

Carico massimo

Pmax = 0,0004167·1,269 × 10⁹ = 528835 N = 528,8 kN

Risposta

Pmax = 528,8 kN
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 7,369 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 = 50·40³/12 = 266667 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 2·2500 = 5000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·266667/5000² = 7369 N = 7,369 kN

Risposta

Pcr = 7,369 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 49,43 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 = 3·30000 = 90000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·90000·1500²/(π³·70000))^(1/4) = 49,43 mm

Risposta

d = 49,43 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 121,4, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fd = 12,63 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 = √(150000/20) = 86,6 rad/s
fn = 86,6/(2π) = 13,78 Hz

Frequenza naturale smorzata

fd = fn·√(1 − ζ²) = 13,78·√(1 − 0,4²) = 12,63 Hz

Risposta

fd = 12,63 Hz
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: keq = 35 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 = 30 + 5 = 35 kN/m

Risposta

keq = 35 kN/m

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