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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​ = 100 mmd2​ = 250 mm720 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 200 NP = ?

Una cinghia scorre su una puleggia motrice da 100 mm a 720 giri/min. La tensione è 1000 N sul lato teso e 200 N sul lato lento. Trova la potenza P trasmessa, in kW.

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmT1 = 1000 NT2 = 200 N
P = kW
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 45B = 48C = 15D = 50

In un rotismo composto, la ruota A (45 denti) sull’albero di ingresso, che gira a 1500 rpm, aziona la ruota B (48 denti). La ruota C (15 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D (50 denti) sull’albero di uscita. Trova la velocità di uscita nout.

nin = 1500 rpmA = 45B = 48C = 15D = 50
nout = rpm
3.Torsione degli alberiMedia
d1​ = 25 mmd2​ = 20 mmT = 200 N·mABC1,5 m2 m

Un albero pieno a gradini in acciaio è incastrato in A. Il tratto AB ha diametro 25 mm e lunghezza 1,5 m; il tratto BC ha diametro 20 mm e lunghezza 2 m. Un momento torcente di 200 N·m agisce all’estremo libero C. Trova l’angolo di torsione φC dell’estremo C, in gradi.

T = 200 N·md1 = 25 mm, L1 = 1,5 md2 = 20 mm, L2 = 2 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torsione degli alberiDifficile
Td = ?

Un albero pieno deve trasmettere 5 kW a 500 giri/min senza che la tensione tangenziale superi 75 MPa. Trova il diametro minimo d adatto.

P = 5 kWN = 500 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 110σy​ = 90τxy​ = 20MPa

Un punto ha σₓ = 110 MPa, σᵧ = 90 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (trazione positiva). L’elemento è ruotato di 60° in senso antiorario. Trova la tensione normale σy′ sulle facce dell’elemento ruotato perpendicolari all’asse ruotato y′.

σx = 110 MPaσy = 90 MPaτxy = 20 MPaθ = 60°
σy′ = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = 140σy​ = −60τxy​ = 50MPa

Un punto di una lastra sottile è in stato piano di tensione: σₓ = 140 MPa, σᵧ = −60 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (σz = 0). Il materiale ha una tensione di snervamento di 460 MPa. Trova il coefficiente di sicurezza n nei confronti dello snervamento secondo il criterio di von Mises (energia di distorsione).

σx = 140 MPaσy = −60 MPaτxy = 50 MPaσY = 460 MPa
n =
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 16 mmAlluminio2,5 mP = 55 kN

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

P = 55 kNd = 16 mmL = 2,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 30 mmAcciaio0,5 mØ 16 mmOttone1,5 mP = 45 kN

La barra a gradini è incastrata alla parete e caricata all’estremo libero. Trova la tensione normale massima σmax nella barra.

P = 45 kNtratto 1: Ø30 mm, 0,5 m, acciaio (E = 200 GPa)tratto 2: Ø16 mm, 1,5 m, ottone (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 4 md = 60 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 = 4 mE = 70 GPa (alluminio)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 3 md = 60 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in alluminio è incastrata alla base e incernierata in cima. Trova la sua snellezza e la tensione critica σcr dalla formula di Eulero.

L = 3 mE = 70 GPa (alluminio)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 150 kN/mζ = 0,35m = 500 kg

Una massa di 500 kg su una molla con rigidezza di 150 kN/m ha uno smorzatore viscoso che dà un fattore di smorzamento di 0,35. Trova la frequenza naturale smorzata fd delle sue vibrazioni libere in Hz.

m = 500 kgk = 150 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 80k2​ = 30m = 5 kg

Una massa di 5 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 80 kN/m e k₂ = 30 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 = 5 kgk1 = 80 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 3,016 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 = 3,77 m/s

Potenza

P = (1000 − 200)·3,77 = 3016 W = 3,016 kW

Risposta

P = 3,016 kW
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: nout = 421,9 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 = 1500·45/48 = 1406 rpm = nC

Secondo stadio

nout = 1406·15/50 = 421,9 rpm

Risposta

nout = 421,9 rpm

rapporto totale = 3,556 : 1

3.Torsione degli alberi

Risposta: φC = 23,84 °

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.

Momenti d’inerzia polari

J1 = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴
J2 = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Torsione di ciascun tratto

T = 200 N·m = 200000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 200000·1500/(80000·38350) = 0,09778 rad
φBC = 200000·2000/(80000·15708) = 0,3183 rad

Torsione totale

φC = 0,09778 + 0,3183 = 0,4161 rad = 23,84°

Risposta

φC = 23,84°
4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 18,65 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 5000/52,36 = 95,49 N·m

Diametro dalla tensione ammissibile

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·95493/(π·75)) = 18,65 mm

Risposta

d = 18,65 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σy′ = 87,68 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′ = 100 − 10·(−0,5) − 20·0,866 = 87,68 MPa

Verifica

La somma delle tensioni normali non cambia con la rotazione.

σx′ = 112,3 MPa, σx′ + σy′ = 200 = σx + σy

Risposta

σy′ = 87,68 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: n = 2,326

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. Criteri di snervamento: von Mises prevede lo snervamento quando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) raggiunge σY; Tresca quando la tensione tangenziale massima assoluta raggiunge σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensioni principali

C = 40 MPa, R = 111,8 MPa
σ1 = 151,8 MPa, σ2 = −71,8 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(151,8² − 151,8·(−71,8) + (−71,8)²) = 197,7 MPa
n = 460/197,7 = 2,326

Risposta

n = 2,326

n > 1 significa che il punto non si snerva; Tresca è leggermente più conservativo di von Mises.

7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: ε = 3908 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 55·1000/201,1 = 273,5 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for alluminio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 273,5/70000 = 0,003908 = 3908 µε

Risposta

ε = 3908 µε
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: σmax = 223,8 MPa

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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 63,66 MPa
σ2 = 223,8 MPa

Tensione massima

Il tratto più sottile ha l’area minore, quindi porta la tensione maggiore.

σmax = 223,8 MPa

Risposta

σmax = 223,8 MPa
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 6,867 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 = 2·4000 = 8000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/8000² = 6867 N = 6,867 kN

Risposta

Pcr = 6,867 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 35,25 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/15 = 140

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/140² = 35,25 MPa

Risposta

σcr = 35,25 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fd = 2,582 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 = √(150000/500) = 17,32 rad/s
fn = 17,32/(2π) = 2,757 Hz

Frequenza naturale smorzata

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,757·√(1 − 0,35²) = 2,582 Hz

Risposta

fd = 2,582 Hz
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 23,61 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 = 80 + 30 = 110 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(110000/5) = 148,3 rad/s
fn = 148,3/(2π) = 23,61 Hz

Risposta

fn = 23,61 Hz

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