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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​ = 150 mmd2​ = 450 mm960 rpmn2​ = ?

Una puleggia da 150 mm a 960 giri/min aziona con una cinghia una puleggia da 450 mm con slittamento del 2 %. Trova la velocità n2 della puleggia condotta.

n1 = 960 rpmd1 = 150 mmd2 = 450 mms = 2 %
n2 = rpm
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 12B = 18C = 25D = 48

In un rotismo composto, la ruota A (12 denti) sull’albero di ingresso, che gira a 960 rpm, aziona la ruota B (18 denti). La ruota C (25 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D (48 denti) sull’albero di uscita. Trova la velocità di uscita nout.

nin = 960 rpmA = 12B = 18C = 25D = 48
nout = rpm
3.Torsione degli alberiMedia
do​ = ?T = 1500 N·m

Un albero cavo deve sopportare un momento torcente di 1500 N·m. Il suo diametro interno deve essere 0,6 volte il diametro esterno, e la tensione tangenziale non deve superare 80 MPa. Trova il diametro esterno minimo do.

T = 1500 N·mdi/do = 0,6τallow = 80 MPa
do = mm
4.Torsione degli alberiDifficile
do​ = ?10 kW, 1000 rpm

Un albero cavo deve trasmettere 10 kW a 1000 rpm. Il suo diametro interno deve essere 0,7 volte il diametro esterno, e la tensione tangenziale non deve superare 80 MPa. Trova il diametro esterno minimo do.

P = 10 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,7τallow = 80 MPa
do = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = −10σy​ = −20τxy​ = −50MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = −10 MPa, σᵧ = −20 MPa e τₓᵧ = −50 MPa (trazione positiva). Trova la massima tensione tangenziale nel piano τmax.

σx = −10 MPaσy = −20 MPaτxy = −50 MPa
τmax = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = −70σy​ = 30τxy​ = 30MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = −70 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (trazione positiva). Trova la tensione tangenziale τθ su un piano la cui normale è ruotata di 30° in senso antiorario rispetto all’asse x (positiva nello stesso senso di τₓᵧ).

σx = −70 MPaσy = 30 MPaτxy = 30 MPaθ = 30°
τθ = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 30 mmAlluminio1,5 mP = 15 kN

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

P = 15 kNd = 30 mmL = 1,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
P = ?Ø40100 GPaØ100/60800 mm

Un’asta di acciaio (diametro 40 mm, E = 200 GPa, tensione ammissibile 120 MPa) sta dentro un tubo di ottone (diametro esterno 100 mm, diametro interno 60 mm, E = 100 GPa, tensione ammissibile 50 MPa). Sono compressi insieme tra piastre rigide. Trova il massimo carico Pmax.

asta: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 4 m50 × 80 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 = 4 mE = 200 GPa (acciaio)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
P = 150 kNL = 5 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in acciaio è incastrata a entrambi gli estremi. Deve portare 150 kN con un coefficiente di sicurezza di 3 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 150 kNn = 3L = 5 mE = 200 GPa (acciaio)
d = mm
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 80 kN/mζ = 0,7m = 8 kg

Una massa di 8 kg su una molla con rigidezza di 80 kN/m ha uno smorzatore viscoso che dà un fattore di smorzamento di 0,7. Trova la frequenza naturale smorzata fd delle sue vibrazioni libere in Hz.

m = 8 kgk = 80 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 30k2​ = 12m = 40 kg

Una massa di 40 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 30 kN/m e k₂ = 12 kN/m. La massa resta orizzontale. Trascura lo smorzamento e le masse delle molle. Trova la frequenza naturale fn delle vibrazioni verticali in Hz.

m = 40 kgk1 = 30 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: n2 = 313,6 rpm

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 senza slittamento

960·150/450 = 320 rpm

Con slittamento

n2 = 320·0,98 = 313,6 rpm

Risposta

n2 = 313,6 rpm
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: nout = 333,3 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 = 960·12/18 = 640 rpm = nC

Secondo stadio

nout = 640·25/48 = 333,3 rpm

Risposta

nout = 333,3 rpm

rapporto totale = 2,88 : 1

3.Torsione degli alberi

Risposta: do = 47,87 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.

Diametro esterno dalla tensione ammissibile

T = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·1,5 × 10⁶/(π·80·0,8704)) = 47,87 mm
di = 0,6·47,87 = 28,72 mm

Risposta

do = 47,87 mm

Un albero pieno richiederebbe d = 45,71 mm; quello cavo è un po’ più grande ma molto più leggero.

4.Torsione degli alberi

Risposta: do = 20 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 10000/104,7 = 95,49 N·m

Diametro esterno dalla tensione ammissibile

T = 95,49 N·m = 95493 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·95493/(π·80·0,7599)) = 20 mm
di = 0,7·20 = 14 mm

Risposta

do = 20 mm

Un albero pieno richiederebbe d = 18,25 mm; quello cavo è un po’ più grande ma molto più leggero.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τmax = 50,25 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 = √(((−10 − −20)/2)² + −50²) = 50,25 MPa

Risposta

τmax = 50,25 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τθ = 58,3 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

τθ = −−50·0,866 + 30·0,5 = 58,3 MPa

Risposta

τθ = 58,3 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 0,4547 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 = 15·1000/706,9 = 21,22 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for alluminio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 21,22/70000 = 0,0003032 = 303,2 µε

Allungamento

δ = ε·L = 0,0003032·1500 mm = 0,4547 mm

Risposta

δ = 0,4547 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: Pmax = 377 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(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·1257 + 100·10³·5027 = 7,54 × 10⁸ N

Deformazione governante

ε = min(0,0006, 0,0005) = 0,0005 (ottone)

Carico massimo

Pmax = 0,0005·7,54 × 10⁸ = 376991 N = 377 kN

Risposta

Pmax = 377 kN
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 102,8 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 = 1·4000 = 4000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·833333/4000² = 102808 N = 102,8 kN

Risposta

Pcr = 102,8 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 73,4 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 = 3·150000 = 450000 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·450000·2500²/(π³·200000))^(1/4) = 73,4 mm

Risposta

d = 73,4 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 136,2, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fd = 11,37 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 = √(80000/8) = 100 rad/s
fn = 100/(2π) = 15,92 Hz

Frequenza naturale smorzata

fd = fn·√(1 − ζ²) = 15,92·√(1 − 0,7²) = 11,37 Hz

Risposta

fd = 11,37 Hz
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 5,157 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

Le molle affiancate hanno la stessa deformazione e sommano le loro forze, quindi le rigidezze si sommano semplicemente: k = k1 + k2.

keq = 30 + 12 = 42 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(42000/40) = 32,4 rad/s
fn = 32,4/(2π) = 5,157 Hz

Risposta

fn = 5,157 Hz

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