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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​ = 16N2​ = 20

Un motore da 3 kW che gira a 2900 rpm aziona un pignone con 16 denti, che ingrana con una ruota con 20 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 97 %. Trova il momento torcente T1 sull’albero del motore.

P = 3 kWn1 = 2900 rpmN1 = 16N2 = 20η = 97%
T1 = N·m
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 100 mmd2​ = 250 mm1500 rpmC = 800 mmθ = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia da 100 mm e una puleggia da 250 mm con gli assi a 800 mm di distanza. Trova l’angolo di avvolgimento θ sulla puleggia più piccola, in gradi.

d1 = 100 mmd2 = 250 mmC = 800 mm
θ = °
3.Torsione degli alberiMedia
d1​ = 40 mmd2​ = 25 mmT = 200 N·mABC1 m3 m

Un albero pieno a gradini in ottone è incastrato in A. Il tratto AB ha diametro 40 mm e lunghezza 1 m; il tratto BC ha diametro 25 mm e lunghezza 3 m. Un momento torcente di 200 N·m agisce all’estremo libero C. Trova la tensione tangenziale massima τmax nell’albero.

T = 200 N·md1 = 40 mm, L1 = 1 md2 = 25 mm, L2 = 3 m
τmax = MPa
4.Torsione degli alberiDifficile
Tdo​ = 40 mm, di​ = 20 mm

Un albero cavo trasmette 30 kW a 1000 giri/min. Trova la tensione tangenziale massima τmax nell’albero.

P = 30 kWN = 1000 rpmdo = 40 mmdi = 20 mm
τmax = MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 90σy​ = −10τxy​ = 40MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 90 MPa, σᵧ = −10 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (trazione positiva). Trova l’angolo θp dall’asse x alla direzione della tensione principale massima, compreso tra −90° e 90°.

σx = 90 MPaσy = −10 MPaτxy = 40 MPa
θp = °
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​τxy​superficie dell’albero

Un albero pieno di diametro 40 mm porta una forza assiale di trazione di 100 kN insieme a un momento torcente di 1500 N·m. Sulla superficie dell’albero, trova la tensione tangenziale massima nel piano τmax.

d = 40 mmF = 100 kNT = 1500 N·m
τmax = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
50 kNØ40120 GPaØ120/60400 mmδ = ?

Un’asta di acciaio (diametro 40 mm, E = 200 GPa) sta dentro un tubo di rame (diametro esterno 120 mm, diametro interno 60 mm, E = 120 GPa). Entrambi sono lunghi 400 mm e sono compressi insieme tra piastre rigide da 50 kN. Trova l’accorciamento δ.

P = 50 kNasta: Ø40 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 120 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
P = ?Ø30100 GPaØ100/60300 mm

Un’asta di acciaio (diametro 30 mm, E = 200 GPa, tensione ammissibile 250 MPa) sta dentro un tubo di ottone (diametro esterno 100 mm, diametro interno 60 mm, E = 100 GPa, tensione ammissibile 60 MPa). Sono compressi insieme tra piastre rigide. Trova il massimo carico Pmax.

asta: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 1,5 md = 60 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 = 1,5 mE = 200 GPa (acciaio)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 2,5 md = 20 mmsezione trasversale

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (acciaio)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
tx40 mm3 cicli4,1 mm

In una prova di vibrazioni libere su un sistema massa–molla smorzato, a un picco di spostamento di 40 mm segue, 3 cicli dopo, un picco di 4,1 mm. Trova il fattore di smorzamento ζ.

x0 = 40 mmx3 = 4,1 mmn = 3
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 20k2​ = 50m = 25 kg

Una massa di 25 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 20 kN/m e k₂ = 50 kN/m. La massa resta orizzontale. Trova la rigidezza equivalente keq del sistema di molle in kN/m.

m = 25 kgk1 = 20 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T1 = 9,879 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/303,7 = 9,879 N·m

Risposta

T1 = 9,879 N·m
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: θ = 169,2 °

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(0,09375) = 5,379°

Angolo di avvolgimento

θ = 180 − 2·5,379 = 169,2°

Risposta

θ = 169,2°
3.Torsione degli alberi

Risposta: τmax = 65,19 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.

Tensione in ciascun tratto

T = 200 N·m = 200000 N·mm
τAB = 16·200000/(π·40³) = 15,92 MPa
τBC = 16·200000/(π·25³) = 65,19 MPa

Risposta

τmax = 65,19 MPa
4.Torsione degli alberi

Risposta: τmax = 24,32 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 = 30000/104,7 = 286,5 N·m

Momento d’inerzia polare

J = π(40⁴ − 20⁴)/32 = 235619 mm⁴

Tensione tangenziale massima

τmax = T·(do/2)/J = 286479·20/235619 = 24,32 MPa

Risposta

τmax = 24,32 MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: θp = 19,33 °

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(2·40, 90 − −10) = 38,66°

Angolo sull’elemento

θp = 19,33°

Risposta

θp = 19,33°

Gli angoli positivi sono in senso antiorario.

6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τmax = 125,8 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 = F/A = 100000/(π·40²/4) = 100000/1257 = 79,58 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·40³) = 119,4 MPa
στxyCτmax​

Cerchio di Mohr

C = σ/2 = 39,79 MPa
R = √(39,79² + 119,4²) = 125,8 MPa

Risposta

τmax = 125,8 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 0,01576 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·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

Accorciamento

δ = 50000·400/1,269 × 10⁹ = 0,01576 mm

Risposta

δ = 0,01576 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: Pmax = 386,4 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 − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·5027 = 6,44 × 10⁸ N

Deformazione governante

ε = min(0,00125, 0,0006) = 0,0006 (ottone)

Carico massimo

Pmax = 0,0006·6,44 × 10⁸ = 386416 N = 386,4 kN

Risposta

Pmax = 386,4 kN
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 558,1 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 1·1500 = 1500 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/1500² = 558113 N = 558,1 kN

Risposta

Pcr = 558,1 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 31,58 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,5·2500 = 1250 mm
KL/r = 1250/5 = 250

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/250² = 31,58 MPa

Risposta

σcr = 31,58 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,12

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.

Decremento logaritmico

δ = (1/3)·ln(40/4,1) = 0,7593

Fattore di smorzamento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7593/√(39,48 + 0,5765) = 0,12

Risposta

ζ = 0,12
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: keq = 70 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 = 20 + 50 = 70 kN/m

Risposta

keq = 70 kN/m

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