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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
Tw​ = ?z = 2, 960 rpm

Un motore da 2,2 kW a 960 rpm aziona una vite senza fine a 2 principi. La ruota elicoidale ha 80 denti e la trasmissione ha un rendimento del 55%. Trova la coppia in uscita Tw sull’albero della ruota.

z = 2Nw = 80n = 960 rpmP = 2,2 kWη = 55%
Tw = N·m
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 48B = 50C = 15D = 36

In un rotismo composto, la ruota A (48 denti) sull’albero di ingresso, che gira a 960 rpm, aziona la ruota B (50 denti). La ruota C (15 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D (36 denti) sull’albero di uscita. Trova la velocità di uscita nout.

nin = 960 rpmA = 48B = 50C = 15D = 36
nout = rpm
3.Torsione degli alberiMedia
T = 250 N·md = 25 mmL = 3 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 = 250 N·md = 25 mmL = 3 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsione degli alberiDifficile
d = ?30 kW, 1450 rpm

Un albero pieno in ottone trasmette 30 kW a 1450 rpm. La tensione tangenziale non deve superare 80 MPa e la torsione non deve superare 0,5° per m di lunghezza. Trova il diametro minimo d che soddisfa entrambi i limiti.

P = 30 kWN = 1450 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,5°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 20σy​ = 60τxy​ = −20MPa

Un punto ha σₓ = 20 MPa, σᵧ = 60 MPa e τₓᵧ = −20 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 = 20 MPaσy = 60 MPaτxy = −20 MPa
θs = °
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 200 N·m insieme a un momento torcente di 250 N·m. Sulla superficie superiore, dove la tensione di flessione è di trazione e massima, trova la tensione principale massima σ1.

d = 30 mmM = 200 N·mT = 250 N·m
σ1 = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 30 mmAcciaio3 mP = 55 kN

Trova l’allungamento δ della barra di acciaio sotto il carico assiale.

P = 55 kNd = 30 mmL = 3 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
P = ?Ø40110 GPaØ80/60300 mm

Un’asta di acciaio (diametro 40 mm, E = 200 GPa, tensione ammissibile 200 MPa) sta dentro un tubo di bronzo (diametro esterno 80 mm, diametro interno 60 mm, E = 110 GPa, tensione ammissibile 50 MPa). Sono compressi insieme tra piastre rigide. Trova il massimo carico Pmax.

asta: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPatubo: Ø80/Ø60 mm, E = 110 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 3 m50 × 80 mmsezione trasversale

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

L = 3 mE = 200 GPa (acciaio)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 6 md = 80 mmsezione trasversale

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

L = 6 mE = 70 GPa (alluminio)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 20 kN/mc = 280 N·s/mm = 100 kg

Una massa di 100 kg è sostenuta da una molla con rigidezza di 20 kN/m e da uno smorzatore viscoso con coefficiente di smorzamento di 280 N·s/m. Trova il fattore di smorzamento ζ.

m = 100 kgk = 20 kN/mc = 280 N·s/m
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 20k2​ = 60m = 100 kg

Una massa di 100 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 20 kN/m e k₂ = 60 kN/m. La massa resta orizzontale. Trova la rigidezza equivalente keq del sistema di molle in kN/m.

m = 100 kgk1 = 20 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: Tw = 481,4 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.

Velocità della ruota

nw = n·z/Nw = 960·2/80 = 24 rpm

Momento torcente in uscita

ωw = 2π·24/60 = 2,513 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,55·2200/2,513 = 481,4 N·m

Risposta

Tw = 481,4 N·m
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: nout = 384 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 = 960·48/50 = 921,6 rpm = nC

Secondo stadio

nout = 921,6·15/36 = 384 rpm

Risposta

nout = 384 rpm

rapporto totale = 2,5 : 1

3.Torsione degli alberi

Risposta: φ = 14,01 °

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) = 250·1000·3000/(80000·38350) = 0,2445 rad
φ = 0,2445·180/π = 14,01°

Risposta

φ = 14,01°
4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 49,31 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 30000/151,8 = 197,6 N·m

Diametro per la resistenza

T = 197,6 N·m = 197572 N·mm
dτ = ∛(16·197572/(π·80)) = 23,26 mm

Diametro per la rigidezza

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·197572/(π·39000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 49,31 mm

Diametro determinante

Entrambi i limiti devono essere rispettati, quindi governa il diametro maggiore.

d = max(23,26, 49,31) = 49,31 mm

Risposta

d = 49,31 mm

Qui governa la rigidezza.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: θs = 67,5 °

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 = −20/28,28 = −0,7071, sin 2θs = −(−20)/28,28 = 0,7071
2θs = atan2(20, −20) = 135°

Angolo sull’elemento

θs = 67,5°
verifica: θs − θp = 67,5 − (−67,5) = 135°

Risposta

θs = 67,5°

Gli angoli positivi sono in senso antiorario.

6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σ1 = 98,12 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) = 32·200000/(π·30³) = 75,45 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·250000/(π·30³) = 47,16 MPa
στxyCσ1​σ2​

Cerchio di Mohr

C = σ/2 = 37,73 MPa
R = √(37,73² + 47,16²) = 60,39 MPa
σ1 = C + R = 98,12 MPa
σ2 = C − R = −22,66 MPa

Risposta

σ1 = 98,12 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 1,167 mm

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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 55·1000/706,9 = 77,81 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for acciaio = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 77,81/200000 = 0,000389 = 389 µε

Allungamento

δ = ε·L = 0,000389·3000 mm = 1,167 mm

Risposta

δ = 1,167 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: Pmax = 224,2 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(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·2199 = 4,932 × 10⁸ N

Deformazione governante

ε = min(0,001, 0,0004545) = 0,0004545 (bronzo)

Carico massimo

Pmax = 0,0004545·4,932 × 10⁸ = 224195 N = 224,2 kN

Risposta

Pmax = 224,2 kN
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 45,69 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 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 2·3000 = 6000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·833333/6000² = 45693 N = 45,69 kN

Risposta

Pcr = 45,69 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 30,71 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/20 = 150

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/150² = 30,71 MPa

Risposta

σcr = 30,71 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,09899

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·√(20000·100) = 2828 N·s/m

Fattore di smorzamento

ζ = c/cc = 280/2828 = 0,09899

Risposta

ζ = 0,09899

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

12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: keq = 80 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 + 60 = 80 kN/m

Risposta

keq = 80 kN/m

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