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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​ = 20N2​ = 60

Un motore da 0,75 kW che gira a 2900 rpm aziona un pignone con 20 denti, che ingrana con una ruota con 60 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 97 %. Trova il momento torcente in uscita T2 sull’albero della ruota.

P = 0,75 kWn1 = 2900 rpmN1 = 20N2 = 60η = 97%
T2 = N·m
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 48B = 72C = 40D = 60

Un motore da 2,2 kW a 2900 rpm aziona la ruota A (48 denti), che ingrana con la ruota B (72 denti). La ruota C (40 denti), sullo stesso albero di B, aziona la ruota D (60 denti) sull’albero di uscita. Ogni ingranamento ha un rendimento del 97%. Trova la coppia in uscita Tout.

P = 2,2 kWnin = 2900 rpmA = 48B = 72C = 40D = 60ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torsione degli alberiMedia
do​ = 30, di​ = 15 mmT = 400 N·mL = 1,5 m

Un albero cavo in ottone (diametro esterno 30 mm, diametro interno 15 mm, lunghezza 1,5 m) è incastrato a un’estremità e torto da un momento torcente di 400 N·m all’altra. Trova l’angolo di torsione φ in gradi.

T = 400 N·mdo = 30 mmdi = 15 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsione degli alberiDifficile
Td = ?

Un albero pieno deve trasmettere 20 kW a 1450 giri/min senza che la tensione tangenziale superi 60 MPa. Trova il diametro minimo d adatto.

P = 20 kWN = 1450 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 20σy​ = 50τxy​ = −30MPa

Un punto ha σₓ = 20 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (trazione positiva). L’elemento è ruotato di 25° in senso antiorario. Trova la tensione normale σy′ sulle facce dell’elemento ruotato perpendicolari all’asse ruotato y′.

σx = 20 MPaσy = 50 MPaτxy = −30 MPaθ = 25°
σy′ = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
35°D = 1200 mm, t = 10 mm, p = 3 MPap

Un serbatoio cilindrico a parete sottile con diametro interno di 1200 mm e spessore di parete di 10 mm contiene gas a una pressione relativa di 3 MPa. È realizzato con lamiera saldata lungo una cordatura elicoidale a 35° rispetto all’asse del cilindro. Trova il modulo della tensione tangenziale |τn| che agisce lungo la cordatura di saldatura.

D = 1200 mmt = 10 mmp = 3 MPaα = 35°
|τn| = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
P = ?12600 mm200 mmØ30Ø50δ = 0,3 mm

Una barra è fatta di un tratto di acciaio (diametro 30 mm, lunghezza 600 mm, E = 200 GPa) unito testa a testa a un tratto di rame (diametro 50 mm, lunghezza 200 mm, E = 120 GPa). È fissata a un’estremità e tirata all’altra. Trova il carico assiale P che la allunga di 0,3 mm in totale.

tratto 1: acciaio, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPatratto 2: rame, Ø50 mm, 200 mm, E = 120 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 35 mmRame1 mØ 12 mmRame0,5 mP = 35 kN

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

P = 35 kNtratto 1: Ø35 mm, 1 m, rame (E = 117 GPa)tratto 2: Ø12 mm, 0,5 m, rame (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 2,5 md = 50 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in acciaio è incastrata a entrambi gli estremi. Usando la formula di Eulero, trova il suo carico critico Pcr.

L = 2,5 mE = 200 GPa (acciaio)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
P = 115 kNL = 5 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in alluminio è incastrata alla base e incernierata in cima. Deve portare 115 kN con un coefficiente di sicurezza di 2,5 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 115 kNn = 2,5L = 5 mE = 70 GPa (alluminio)
d = mm
11.Vibrazioni meccanicheMedia
tx12 mm4 cicli0,6 mm

In una prova di vibrazioni libere su un sistema massa–molla smorzato, a un picco di spostamento di 12 mm segue, 4 cicli dopo, un picco di 0,6 mm. Trova il fattore di smorzamento ζ.

x0 = 12 mmx4 = 0,6 mmn = 4
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 50k2​ = 10m = 25 kg

Una massa di 25 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 50 kN/m e k₂ = 10 kN/m. La massa resta orizzontale. Trova la rigidezza equivalente keq del sistema di molle in kN/m.

m = 25 kgk1 = 50 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T2 = 7,187 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 = 750/303,7 = 2,47 N·m

Momento torcente in uscita

T2 = 2,47·60/20·0,97 = 7,187 N·m

Risposta

T2 = 7,187 N·m
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: Tout = 15,34 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Velocità in uscita

nout = 2900·(48/72)·(40/60) = 1289 rpm
ωout = 2π·1289/60 = 135 rad/s

Potenza e coppia in uscita

Pout = 2200·0,97² = 2070 W
Tout = Pout/ωout = 2070/135 = 15,34 N·m

Risposta

Tout = 15,34 N·m
3.Torsione degli alberi

Risposta: φ = 11,82 °

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(30⁴ − 15⁴)/32 = 74551 mm⁴

Angolo di torsione

T = 400 N·m = 400000 N·mm
L = 1,5 m = 1500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 400000·1500/(39000·74551) = 0,2064 rad
φ = 0,2064·180/π = 11,82°

Risposta

φ = 11,82°
4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 22,36 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 = 20000/151,8 = 131,7 N·m

Diametro dalla tensione ammissibile

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·131714/(π·60)) = 22,36 mm

Risposta

d = 22,36 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σy′ = 67,62 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′ = 35 − (−15)·0,6428 − (−30)·0,766 = 67,62 MPa

Verifica

La somma delle tensioni normali non cambia con la rotazione.

σx′ = 2,377 MPa, σx′ + σy′ = 70 = σx + σy

Risposta

σy′ = 67,62 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: |τn| = 42,29 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. Cilindro a parete sottile: tensione circonferenziale σh = pr/t e tensione assiale σa = pr/(2t); queste sono le tensioni principali nella parete.

Tensioni nella parete

r = 1200/2 = 600 mm
σh = pr/t = 3·600/10 = 180 MPa
σa = pr/(2t) = 90 MPa

Trasforma sulla cordatura

Prendi x lungo l’asse (σa) e y in direzione circonferenziale (σh). La normale alla cordatura forma 90° − α con l’asse.

|τn| = (180 − 90)·sin 35°·cos 35° = 42,29 MPa

Risposta

|τn| = 42,29 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: P = 58,9 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 = 706,9 mm², A₂ = 1963 mm²

Cedevolezze

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·706,9) = 4,244 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(120000·1963) = 8,488 × 10⁻⁷ mm/N

Carico

P = 0,3/5,093 × 10⁻⁶ = 58905 N = 58,9 kN

Risposta

P = 58,9 kN
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 1,633 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 36,38 MPa
σ2 = 309,5 MPa

Somma gli allungamenti dei tratti

δ1 = σ1L1/E1 = 36,38·1000/117000 = 0,3109 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 309,5·500/117000 = 1,323 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,633 mm

Risposta

δ = 1,633 mm
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 387,6 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/1250² = 387578 N = 387,6 kN

Risposta

Pcr = 387,6 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 100,9 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 = 2,5·115000 = 287500 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·287500·3500²/(π³·70000))^(1/4) = 100,9 mm

Risposta

d = 100,9 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 138,7, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,1184

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 = (1/4)·ln(12/0,6) = 0,7489

Fattore di smorzamento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7489/√(39,48 + 0,5609) = 0,1184

Risposta

ζ = 0,1184
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: keq = 60 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 = 50 + 10 = 60 kN/m

Risposta

keq = 60 kN/m

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