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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

Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Modulo
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Versore
û = a/|a|
Componenti a partire da un angolo
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Prodotto scalare
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Proiezione scalare di a su b
a·b/|b|
Lavoro
W = F·d
Prodotto vettoriale
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Aree
parallelogramma |a × b|, triangolo ½|a × b|
Momento rispetto a O
MO = r × F, r = A − O
Volume di un parallelepipedo
V = |a·(b × c)|

Metodo

  1. Scrivi ogni vettore in componenti; per una forza data da un modulo e un angolo, usa F·cos θ e F·sin θ.
  2. Per lunghezze e direzioni usa il modulo √(x² + y² + z²) e il versore a/|a|.
  3. Usa il prodotto scalare per angoli, proiezioni, perpendicolarità e lavoro: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Usa il prodotto vettoriale per vettori perpendicolari, aree e momenti: scrivi con cura le tre componenti, mantenendo l’ordine a × b.

Reazioni vincolari delle travi

Equilibrio
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Carico uniforme
risultante w·L al centro del carico
Momento
M = F·d

Metodo

  1. Disegna un diagramma di corpo libero e sostituisci ogni vincolo con le sue reazioni.
  2. Sostituisci ogni carico distribuito con un’unica forza applicata nel suo baricentro.
  3. Calcola i momenti rispetto a un vincolo per trovare la reazione nell’altro.
  4. Usa ΣFy = 0 per trovare la reazione rimanente e verifica con una seconda equazione dei momenti.

Travatura: metodo dei nodi

Metodo dei nodi
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Metodo delle sezioni
ΣM = 0 about a cut point
Sforzo nell’asta
positivo = trazione, negativo = compressione

Metodo

  1. Trova le reazioni vincolari dell’intera travatura reticolare.
  2. Metodo dei nodi: parti da un nodo con al massimo due sforzi incogniti nelle aste e usa ΣFx = 0 e ΣFy = 0.
  3. Metodo delle sezioni (di Ritter): taglia l’asta che ti serve e calcola i momenti rispetto al punto in cui si incontrano le altre aste incognite.
  4. Ipotizza trazione; una risposta negativa significa compressione.

Telai e macchine

Equilibrio di ogni elemento
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Asta a due forze
forza lungo la retta passante per le sue due cerniere
Forza sulla cerniera
uguale e opposta sui due elementi che collega
Modulo della forza su una cerniera
F = √(Fx² + Fy²)
Leva, pinza, leva a squadra
Fin·a = Fout·b
Ginocchiera
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Carico uniforme
risultante w·L al centro del carico

Metodo

  1. Disegna l’intera struttura e trova le reazioni vincolari se le incognite non sono più di tre.
  2. Individua le aste a due forze: caricate solo in due cerniere, la loro forza agisce lungo la retta che unisce le cerniere.
  3. Smonta il telaio e disegna ogni elemento a parte, con forze sulle cerniere uguali e opposte dove gli elementi si incontrano.
  4. Per ogni elemento, prendi i momenti rispetto a una cerniera con forze incognite, poi usa ΣFx = 0 e ΣFy = 0; alla fine combina le componenti in un modulo.

Taglio e momento flettente

Taglio e momento
V = ΣF da un lato, M = ΣF·d da un lato
Tensione di flessione
σ = M·y/I
Rettangolo
I = bh³/12
Modulo di resistenza
W = I/ymax
Trave appoggiata, carico uniforme
Mmax = wL²/8

Metodo

  1. Trova le reazioni vincolari dall’equilibrio dell’intera trave.
  2. Taglia la trave nella sezione che ti serve e considera una sola parte.
  3. Taglio: somma delle forze verticali su quella parte. Momento flettente: somma dei loro momenti rispetto alla sezione di taglio.
  4. Per il momento massimo, trova dove il taglio è nullo.

Baricentro e momento d’inerzia

Baricentro
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Rettangolo
I = bh³/12
Teorema del trasporto
I = Ic + A·d²
Sezione composta
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

2Esercizi

1.Vettori: prodotto scalare e vettorialeMedia
xyzab

Trova l’angolo θ tra i vettori a = (−3, 3, −1) e b = (−2, 3, −3), in gradi.

a = (−3, 3, −1)b = (−2, 3, −3)
θ = °
2.Vettori: prodotto scalare e vettorialeDifficile
xyzabc

Trova il volume V del parallelepipedo i cui spigoli uscenti da un vertice sono a = (−5, −1, 4), b = (5, 5, −5) e c = (−4, −3, 1).

a = (−5, −1, 4)b = (5, 5, −5)c = (−4, −3, 1)
V =
3.Reazioni vincolari delle traviMedia
w0​ = 4 kN/mP = 80 kNABRA​ = ?4,5 m0,5 m

La trave semplicemente appoggiata (cerniera in A, carrello in B) porta un carico linearmente variabile che cresce da zero in A fino a 4 kN/m in B. Agisce anche un carico concentrato P a 4,5 m da A. Trova la reazione vincolare verticale RA.

L = 5 mw0 = 4 kN/mP = 80 kN in 4,5 m
RA = kN
4.Reazioni vincolari delle traviDifficile
P = 45 kN, 30°Q = 50 kNABRA​ = ?0,5 m2,5 m3 m

La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Un carico P agisce a 0,5 m da A, inclinato di 30° rispetto all’orizzontale, e un carico verticale Q agisce a 3 m da A. Trova il modulo della reazione totale RA nella cerniera A.

L = 6 mP = 45 kN in 0,5 m, θ = 30°Q = 50 kN in 3 m
RA = kN
5.Travatura: metodo dei nodiMedia
ABBCACACB40 kN6 m2 m4 m

Usa il metodo dei nodi per trovare la forza FAC nell’asta AC. Indica la trazione come positiva e la compressione come negativa.

luce = 6 maltezza = 4 mB è a 2 m da Acarico verticale = 40 kN
FAC = kN
6.Travatura: metodo dei nodiDifficile
ABCDEFGH25 kN30 kN40 kN4 × 4 m4 m

Esattamente un’asta di questa travatura non porta alcuno sforzo con questi carichi. Qual è l’asta scarica? Cliccala nel diagramma.

B: 25 kN ↓D: 30 kN ↓F: 40 kN →
  1. 1asta AB
  2. 2asta BC
  3. 3asta CD
  4. 4asta DE
  5. 5asta FG
  6. 6asta GH
  7. 7asta AF
  8. 8asta HE
  9. 9asta BF
  10. 10asta CG
  11. 11asta DH
  12. 12asta BG
  13. 13asta DG
7.Telai e macchineMedia
150 NQ = ?25°ABC

Nel morsetto a ginocchiera mostrato, due bielle uguali AB e BC sono incernierate in B, e ciascuna forma un angolo di 25° con la retta AC. Una forza verso il basso di 150 N è applicata in B. Il cursore C preme su un pezzo. Trascurando attrito e pesi, trova la forza di serraggio orizzontale Q.

F = 150 Nθ = 25°
Q = N
8.Telai e macchineDifficile
2 kN4,8 m1 m1,4 mABCDE

Il telaio a A mostrato poggia su una cerniera in A e un carrello in B, distanti 4,8 m. Le gambe si incontrano nella cerniera C, alta 2,4 m, e sono legate dall’asta orizzontale DE a 1 m. Una forza orizzontale di 2 kN verso destra agisce in C. Trova la tensione T nel tirante.

P = 2 kNAB = 4,8 maltezza di C = 2,4 maltezza di DE = 1 m
T = kN
9.Taglio e momento flettenteMedia
P1​ = 70 kNP2​ = 55 kNAB3 m3 m4 m

La trave semplicemente appoggiata porta due carichi concentrati. Trova il momento flettente massimo Mmax nella trave.

L = 10 mP1 = 70 kN in 3 mP2 = 55 kN in 6 m
Mmax = kN·m
10.Taglio e momento flettenteDifficile
w = 5 kN/mP = 35 kNAB3 m1 m

La trave semplicemente appoggiata porta un carico uniformemente distribuito w su tutta la luce e un carico concentrato P. Trova il momento flettente massimo Mmax nella trave.

L = 4 mP = 35 kN in 3 mw = 5 kN/m da 0 a 4 m
Mmax = kN·m
11.Baricentro e momento d’inerziaMedia
180101008xdimensioni in mm

Trova il momento d’inerzia Ix della sezione a T rispetto all’asse orizzontale x passante per il baricentro.

bf = 180 mmtf = 10 mmtw = 8 mmhw = 100 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Baricentro e momento d’inerziaDifficile
3001010020xM positivodimensioni in mm

Una trave in ghisa ha la sezione a T mostrata, con l’ala in alto. Le tensioni ammissibili sono 60 MPa a trazione e 90 MPa a compressione. Trova il massimo momento flettente positivo Mallow che la trave può sopportare.

bf = 300 mmtf = 10 mmtw = 20 mmhw = 100 mmσt,allow = 60 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m

3Soluzioni

1.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: θ = 28,31 °

Prodotto scalare: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, uno scalare. Fornisce l’angolo tra due vettori, cos θ = a·b/(|a|·|b|), ed è nullo quando i vettori sono perpendicolari. La proiezione scalare di a su b è a·b/|b|, e una forza costante F che compie uno spostamento d esegue il lavoro W = F·d.

Prodotto scalare

a·b = (−3)·(−2) + 3·3 + (−1)·(−3) = 18

Moduli

|a| = √((−3)² + 3² + (−1)²) = 4,359
|b| = √((−2)² + 3² + (−3)²) = 4,69

Angolo

cos θ = 18/(4,359·4,69) = 0,8804
θ = arccos(0,8804) = 28,31°

Risposta

θ = 28,31°
2.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: V = 55

Prodotto vettoriale: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) è perpendicolare a entrambi i vettori, e |a × b| = |a|·|b|·sin θ è l’area del parallelogramma che essi generano (il triangolo ne ha la metà). L’ordine conta: b × a = −(a × b). Il momento di una forza F applicata nel punto A rispetto al punto O è MO = r × F, con r = A − O.

Prodotto vettoriale b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 5·1 − (−5)·(−3) = −10
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−5)·(−4) − 5·1 = 15
(b × c)z = bxcy − bycx = 5·(−3) − 5·(−4) = 5

Prodotto scalare con a

a·(b × c) = (−5)·(−10) + (−1)·15 + 4·5 = 55
V = |55| = 55

Risposta

V = 55
3.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 11,33 kN

Equilibrio statico: un corpo in quiete ha ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 rispetto a qualsiasi punto. Sostituisci ogni carico distribuito con la sua risultante (la sua area) applicata nel baricentro del diagramma di carico, e fai l’equilibrio dei momenti rispetto a un appoggio per eliminare dall’equazione la reazione di quell’appoggio.

Risultante del carico triangolare

W = ½·4·5 = 10 kN
x̄ = 2L/3 = 3,333 m

Equilibrio

Momenti rispetto ad A, positivi in senso antiorario. Poi equilibrio delle forze verticali.

ΣMA = 0: RB·5 = 10·3,333 + 80·4,5
RB = 78,67 kN
RA = 90 − 78,67 = 11,33 kN

Risposta

RA = 11,33 kN
4.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 60 kN

Equilibrio statico: un corpo in quiete ha ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 rispetto a qualsiasi punto. Sostituisci ogni carico distribuito con la sua risultante (la sua area) applicata nel baricentro del diagramma di carico, e fai l’equilibrio dei momenti rispetto a un appoggio per eliminare dall’equazione la reazione di quell’appoggio.

Componenti di P

Pv = 45·sin 30° = 22,5 kN
Ph = 45·cos 30° = 38,97 kN

Reazioni

ΣMA = 0: RB·6 = 22,5·0,5 + 50·3 → RB = 26,88 kN
Ay = 22,5 + 50 − 26,88 = 45,63 kN
Ax = Ph = 38,97 kN

Risultante in A

RA = √(38,97² + 45,63²) = 60 kN

Risposta

RA = 60 kN
5.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: FAC = 13,33 kN

Metodo dei nodi: ogni nodo di una travatura è in equilibrio, quindi ΣFx = 0 e ΣFy = 0 in ogni nodo. Inizia da un nodo con al massimo due forze incognite. Un risultato negativo significa che l’asta è compressa.

ABBCACACB40 kNAy​Cy​

Reazioni vincolari

Equilibrio dell’intera travatura. Momenti rispetto ad A, positivi in senso antiorario.

ΣMA = 0: Cy·6 = 40·2 → Cy = 13,33 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 13,33 = 26,67 kN

Nodo C

Il carrello dà solo una reazione verticale, quindi il nodo C ha solo due forze incognite nelle aste. Supponi entrambe in trazione.

sin γ = 4/5,657 = 0,7071, cos γ = 4/5,657 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −13,33/0,7071 = −18,86 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−18,86)·0,7071 = 13,33 kN

Risposta

FAC = 13,33 kN (trazione)
6.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: asta CG

Aste scariche: in un nodo, le forze devono equilibrarsi in ogni direzione. Se un nodo non ha carico né appoggio, e due delle sue tre aste sono allineate, allora l’equilibrio perpendicolare a quella retta coinvolge solo la terza asta, quindi il suo sforzo è zero. Se in un nodo scarico si incontrano solo due aste non allineate, entrambe sono scariche.

Nodo C

BC e CD stanno su una sola retta e il nodo non porta alcun carico. Equilibrare le forze perpendicolarmente a quella retta lascia solo CG.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Verifica con il metodo dei nodi

Risolvendo tutti i nodi si ottengono questi sforzi nelle aste (T = trazione, C = compressione).

AB: 56,25 kN (T), BC: 47,5 kN (T), CD: 47,5 kN (T), DE: 38,75 kN (T), FG: 56,25 kN (C), GH: 38,75 kN (C), AF: 22,98 kN (C), HE: 54,8 kN (C), BF: 16,25 kN (T), CG: 0, DH: 38,75 kN (T), BG: 12,37 kN (T), DG: 12,37 kN (C)

Risposta

Asta scarica: CG
7.Telai e macchine

Risposta: Q = 160,8 N

Macchine: pinze, leve, leverismi e morsetti trasformano una forza in ingresso in una forza in uscita più grande o con direzione diversa. Disegna una parte come corpo libero e prendi i momenti rispetto al suo perno: la forza sulla cerniera scompare, e Fin·a = Fout·b dà il vantaggio meccanico a/b. La forza sulla cerniera segue poi da ΣF = 0 sulla stessa parte. In una ginocchiera due bielle si incontrano con un angolo piccolo θ; ogni biella è un’asta a due forze, quindi una piccola forza F nel giunto crea grandi forze nelle bielle F/(2 sin θ) e una forza di serraggio F/(2 tan θ).

Equilibrio della cerniera B

2·Flink·sin 25° = 150
Flink = 177,5 N

Forza di serraggio

Q = Flink·cos 25° = 150/(2·tan 25°) = 160,8 N

Risposta

Q = 160,8 N

Il rapporto tra le forze Q/F = 1,072 cresce senza limite quando le bielle si raddrizzano.

8.Telai e macchine

Risposta: T = 1,714 kN

Telai e macchine: a differenza di una travatura reticolare, un telaio contiene almeno un elemento che porta forze in più di due punti, o un carico tra le sue cerniere. Cerca prima le aste a due forze: un elemento caricato solo in due cerniere ha la forza lungo la retta che le unisce, quindi aggiunge una sola incognita, non due. Poi usa l’intera struttura per le reazioni vincolari quando le incognite non sono più di tre. Infine smonta il telaio: disegna ogni elemento a parte, con le forze sulle cerniere uguali e opposte sui due elementi che collegano, e scrivi ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 per esso. Prendere i momenti rispetto a una cerniera elimina dall’equazione entrambe le componenti della forza su quella cerniera.

Telaio completo: momenti rispetto ad A

By·4,8 = 2·2,4
By = 1 kN

Gamba BC: momenti rispetto a C

1·2,4 = T·1,4
T = 1,714 kN

Risposta

T = 1,714 kN

Una T positiva significa che il tirante è teso, come supposto.

9.Taglio e momento flettente

Risposta: Mmax = 216 kN·m

Metodo delle sezioni: taglia la trave dove vuoi le forze interne e tieni un lato. Il taglio V equilibra le forze verticali su quel lato, e il momento flettente M equilibra i loro momenti rispetto al taglio. Momento massimo: poiché dM/dx = V, il momento flettente raggiunge il massimo dove il taglio si annulla, in corrispondenza di un carico concentrato oppure all’interno di un carico distribuito.

Reazioni vincolari

Equilibrio dell’intera trave.

ΣMA = 0: RB·10 = 70·3 + 55·6
RB = 540/10 = 54 kN
ΣFy = 0: RA = 125 − 54 = 71 kN

Momento sotto ciascun carico

Tieni la parte a sinistra di ciascun carico.

sotto P1: M = RA·3 = 71·3 = 213 kN·m
sotto P2: M = RB·4 = 54·4 = 216 kN·m

Valore massimo

Mmax = 216 kN·m (sotto P2)

Risposta

Mmax = 216 kN·m
10.Taglio e momento flettente

Risposta: Mmax = 33,75 kN·m

Metodo delle sezioni: taglia la trave dove vuoi le forze interne e tieni un lato. Il taglio V equilibra le forze verticali su quel lato, e il momento flettente M equilibra i loro momenti rispetto al taglio. Momento massimo: poiché dM/dx = V, il momento flettente raggiunge il massimo dove il taglio si annulla, in corrispondenza di un carico concentrato oppure all’interno di un carico distribuito.

Reazioni vincolari

Equilibrio dell’intera trave.

Risultante del carico distribuito: W = w·ℓ = 5·4 = 20 kN, applicata in x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 35·3 + 5·4·2
RB = 145/4 = 36,25 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 36,25 = 18,75 kN

Dove è V = 0?

V(3⁻) = RA − w·3 = 3,75 kN
V(3⁺) = 3,75 − 35 = −31,25 kN
Il taglio cambia segno in corrispondenza del carico, quindi il massimo è sotto il carico.

Momento massimo

Mmax = RA·3 − w·3²/2 = 18,75·3 − 5·3²/2 = 33,75 kN·m

Risposta

Mmax = 33,75 kN·m

Si trova in x = 3 m da A.

11.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Ix = 2,357 × 10⁶ mm⁴

Aree composte: dividi la sezione in rettangoli. Il baricentro è la media pesata sulle aree ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Il momento d’inerzia rispetto all’asse baricentrico somma il bh³/12 proprio di ogni parte e il suo termine di trasporto A·d², dove d è la distanza dal baricentro della parte al baricentro complessivo. La tensione di flessione è σ = M·y/I.

Dividi in due rettangoli

Misura ogni y dal bordo inferiore.

ala: Af = 180·10 = 1800 mm², yf = 100 + 10/2 = 105 mm
anima: Aw = 8·100 = 800 mm², yw = 100/2 = 50 mm

Baricentro

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1800·105 + 800·50)/2600 = 88,08 mm

Teorema del trasporto

ala: 180·10³/12 + 1800·(105 − 88,08)² = 530503 mm⁴
anima: 8·100³/12 + 800·(50 − 88,08)² = 1,827 × 10⁶ mm⁴
Ix = 530503 + 1,827 × 10⁶ = 2,357 × 10⁶ mm⁴ = 2,357 × 10⁶ mm⁴

Risposta

Ix = 2,357 × 10⁶ mm⁴
12.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Mallow = 3,847 kN·m

Aree composte: dividi la sezione in rettangoli. Il baricentro è la media pesata sulle aree ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Il momento d’inerzia rispetto all’asse baricentrico somma il bh³/12 proprio di ogni parte e il suo termine di trasporto A·d², dove d è la distanza dal baricentro della parte al baricentro complessivo. La tensione di flessione è σ = M·y/I.

Baricentro

ȳ = (3000·105 + 2000·50)/5000 = 83 mm
bordo superiore: c = 110 − 83 = 27 mm

Momento d’inerzia della sezione

I = 300·10³/12 + 3000·22² + 20·100³/12 + 2000·33² = 5,322 × 10⁶ mm⁴

Momento ammesso da ciascun bordo

Momento positivo: la parte superiore è compressa, quella inferiore tesa.

bordo superiore: M = 90·5,322 × 10⁶/27 = 17,74 kN·m
bordo inferiore: M = 60·5,322 × 10⁶/83 = 3,847 kN·m

Valore determinante

Mallow = min = 3,847 kN·m (bordo inferiore)

Risposta

Mallow = 3,847 kN·m

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