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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
xyzdFAB

Una forza costante F = (15, 15, −30) N agisce su un oggetto mentre si muove in linea retta dal punto A(5, −3, −1) al punto B(−5, 0, −2). Le coordinate sono in metri. Trova il lavoro W compiuto dalla forza.

F = (15, 15, −30) NA(5, −3, −1) mB(−5, 0, −2) m
W = J
2.Vettori: prodotto scalare e vettorialeDifficile
xyzrFOA

Una forza F = (30, 60, 0) N agisce nel punto A(−2, 1, 2). Le coordinate sono in metri. Trova il modulo |M| del momento della forza rispetto a l’origine O(0, 0, 0).

F = (30, 60, 0) NA(−2, 1, 2) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
3.Reazioni vincolari delle traviMedia
P1​ = 30 kNP2​ = 50 kNABRA​RB​ = ?2,5 m0,5 m3 m

La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Trova la reazione vincolare verticale RB.

L = 6 mP1 = 30 kN in 2,5 mP2 = 50 kN in 3 m
RB = kN
4.Reazioni vincolari delle traviDifficile
w = 3 kN/mP = 25 kNABRA​ = ?RB​1 m2 m7 m

La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Trova la reazione vincolare verticale RA.

L = 10 mP = 25 kN in 3 mw = 3 kN/m da 1 a 10 m
RA = kN
5.Travatura: metodo dei nodiMedia
ABCDEFGH35 kN15 kN10 kN4 × 4 m3 m

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

B: 35 kN ↓D: 15 kN ↓H: 10 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 FC
  13. 13asta HC
6.Travatura: metodo dei nodiDifficile
ABCDEFGH30 kN40 kN35 kN35 kN25 kN4 × 4 m3 m

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

B: 30 kN ↓C: 40 kN ↓G: 35 kN ↓H: 35 kN ↓H: 25 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 FC
  13. 13asta HC
7.Telai e macchineMedia
OAB80 NQ150 mm120 mmFO​ = ?

La leva a squadra mostrata ruota attorno al perno O. Una forza verticale di 80 N in A (150 mm da O) è equilibrata da una forza orizzontale in B (120 mm sopra O). Trova il modulo della reazione sul perno FO.

F = 80 NOA = 150 mmOB = 120 mm
FO = N
8.Telai e macchineDifficile
5 kN3 kN6 m2 m0,9 mABCK

Il telaio mostrato ha cerniere in A, B e C; A e C sono fissate al suolo a 6 m di distanza, e B è alta 2 m e 0,9 m a destra di A. L’elemento AB porta un carico verticale di 5 kN in K, a 0,36 m (in orizzontale) da A, e un carico orizzontale di 3 kN verso destra agisce in B sull’elemento AB. Trova il modulo della reazione orizzontale Ax in A.

P = 5 kNQ = 3 kNL = 6 mH = 2 mdistanza orizzontale da A a B = 0,9 mdistanza orizzontale da A a K = 0,36 m
Ax = kN
9.Taglio e momento flettenteMedia
w = 10 kN/mABsezione5,5 m0,5 m

Trova il momento flettente Mx nella sezione x = 5,5 m dall’appoggio A. Considera positivi i momenti che tendono le fibre inferiori e positivo il taglio verso l’alto sulla faccia sinistra.

L = 6 mw = 10 kN/m da 0 a 6 mx = 5,5 m
Mx = kN·m
10.Taglio e momento flettenteDifficile
w = 6 kN/mABC6 m2 m

La trave poggia su una cerniera in A e su un carrello in B e sporge a sbalzo oltre B di 2 m fino all’estremo libero C. Un carico uniformemente distribuito w agisce su tutta la lunghezza A–C. Trova il momento flettente MB all’appoggio B. Considera positivi i momenti che tendono le fibre inferiori e positivo il taglio verso l’alto sulla faccia sinistra.

L = 8 mw = 6 kN/m da 0 a 8 mappoggi in x = 0 e x = 6 m
MB = kN·m
11.Baricentro e momento d’inerziaMedia
2005002410xdimensioni in mm

Una sezione a I simmetrica ha ali larghe 200 mm e spesse 24 mm, un’altezza complessiva di 500 mm e un’anima spessa 10 mm. Trova il suo momento d’inerzia Ix rispetto all’asse baricentrico orizzontale x.

B = 200 mmH = 500 mmtf = 24 mmtw = 10 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Baricentro e momento d’inerziaDifficile
1401028018xM = 40 kN·mdimensioni in mm

La sezione a T è usata come trave con l’ala in alto e porta un momento flettente positivo di 40 kN·m. Trova il valore della tensione di flessione σin alto al bordo superiore.

bf = 140 mmtf = 10 mmtw = 18 mmhw = 280 mmM = 40 kN·m
σin alto = MPa

3Soluzioni

1.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: W = −75 J

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

Spostamento

d = B − A = (−5, 0, −2) − (5, −3, −1) = (−10, 3, −1) m

Lavoro

W = F·d = 15·(−10) + 15·3 + (−30)·(−1) = −75 J

Risposta

W = −75 J

Lavoro negativo: la forza agisce per lo più contro il moto.

2.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: |M| = 201,2 N·m

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

Vettore posizione da O ad A

r = A − O = (−2, 1, 2) − (0, 0, 0) = (−2, 1, 2) m

Momento M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 1·0 − 2·60 = −120 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 2·30 − (−2)·0 = 60 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−2)·60 − 1·30 = −150 N·m

Modulo

|M| = √((−120)² + 60² + (−150)²) = 201,2 N·m

Risposta

|M| = 201,2 N·m
3.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RB = 37,5 kN

Equilibrio statico: un corpo in quiete ha ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 rispetto a qualsiasi punto. Prendere i momenti rispetto a un appoggio elimina la reazione di quell’appoggio dall’equazione.

P1​ = 30 kNP2​ = 50 kNABRA​RB​2,5 m0,5 m3 m

Diagramma di corpo libero

Sostituisci i vincoli con le forze di reazione. Un carrello dà una reazione verticale; con soli carichi verticali anche la cerniera dà una sola reazione verticale.

Equilibrio

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

ΣMA = 0: RB·6 = 30·2,5 + 50·3
RB = 225/6 = 37,5 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 37,5 = 42,5 kN

Risposta

RB = 37,5 kN
4.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 29,65 kN

Equilibrio statico: un corpo in quiete ha ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 rispetto a qualsiasi punto. Prendere i momenti rispetto a un appoggio elimina la reazione di quell’appoggio dall’equazione.

w = 3 kN/mP = 25 kNABRA​RB​1 m2 m7 m

Diagramma di corpo libero

Sostituisci i vincoli con le forze di reazione. Un carrello dà una reazione verticale; con soli carichi verticali anche la cerniera dà una sola reazione verticale.

Equilibrio

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

Risultante del carico distribuito: W = w·ℓ = 3·9 = 27 kN, applicata in x̄ = 5,5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 25·3 + 3·9·5,5
RB = 223,5/10 = 22,35 kN
ΣFy = 0: RA = 52 − 22,35 = 29,65 kN

Risposta

RA = 29,65 kN
5.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 G

FG e GH 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: 43,33 kN (T), BC: 43,33 kN (T), CD: 36,67 kN (T), DE: 36,67 kN (T), FG: 40 kN (C), GH: 40 kN (C), AF: 54,17 kN (C), HE: 45,83 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 0, DH: 15 kN (T), FC: 4,167 kN (C), HC: 4,167 kN (T)

Risposta

Asta scarica: CG
6.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: asta DH

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 D

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

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

Verifica con il metodo dei nodi

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

AB: 72,92 kN (T), BC: 72,92 kN (T), CD: 88,75 kN (T), DE: 88,75 kN (T), FG: 155,8 kN (C), GH: 155,8 kN (C), AF: 122,4 kN (C), HE: 110,9 kN (C), BF: 30 kN (T), CG: 35 kN (C), DH: 0, FC: 72,4 kN (T), HC: 52,6 kN (T)

Risposta

Asta scarica: DH
7.Telai e macchine

Risposta: FO = 128,1 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).

Forza in B

Q = 80·150/120 = 100 N

Reazione sul perno

Ox = 100 N, Oy = 80 N
FO = √(100² + 80²) = 128,1 N

Risposta

FO = 128,1 N
8.Telai e macchine

Risposta: Ax = 0,315 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.

Direzione di BC

BC = 5,478 m, cos = 0,931, sin = 0,3651

Telaio completo: momenti rispetto ad A

FBC·0,3651·6 = 5·0,36 + 3·2
FBC = 3,561 kN

Equilibrio orizzontale

Ax + 3 − 3,561·0,931 = 0
Ax = 0,315 kN → |Ax| = 0,315 kN

Risposta

Ax = 0,315 kN

Ax punta verso destra.

9.Taglio e momento flettente

Risposta: Mx = 13,75 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.

Reazioni vincolari

Equilibrio dell’intera trave.

Risultante del carico distribuito: W = w·ℓ = 10·6 = 60 kN, applicata in x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 10·6·3
RB = 180/6 = 30 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 30 = 30 kN
w = 10 kN/mABRA​ = 30RB​ = 30sezione5,5 m0,5 m

Taglia in x = 5,5 m e tieni la parte sinistra

Compaiono solo le forze a sinistra del taglio. Una porzione di carico distribuito agisce come un’unica forza al centro di quella porzione.

M = RA·x − (ogni carico a sinistra del taglio × la sua distanza dal taglio)
Mx = 30·5,5 − 10·5,5·2,75 = 13,75 kN·m

Risposta

Mx = 13,75 kN·m
10.Taglio e momento flettente

Risposta: MB = −12 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, compreso il carico sullo sbalzo.

Risultante del carico distribuito: W = w·ℓ = 6·8 = 48 kN, applicata in x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·6 = 6·8·4
RB = 192/6 = 32 kN
ΣFy = 0: RA = 48 − 32 = 16 kN

Taglia in B e tieni lo sbalzo

Il carico sullo sbalzo, w·a, agisce a a/2 da B e tende le fibre superiori della trave sopra l’appoggio.

MB = −w·a²/2 = −6·2²/2 = −12 kN·m

Risposta

MB = −12 kN·m
11.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Ix = 621,2 × 10⁶ mm⁴

Momento d’inerzia: per un rettangolo rispetto al proprio asse baricentrico I = bh³/12, e rispetto alla base bh³/3 (teorema del trasporto I = Ic + A·d²). Un foro si tratta sottraendo il suo I, purché entrambe le parti si riferiscano allo stesso asse. Il modulo di resistenza elastico è S = I/c, dove c è la distanza dalla fibra più esterna.

Rettangolo esterno meno i due vuoti laterali

I due vuoti insieme sono larghi (B − tw) e alti hw = H − 2tf, e hanno lo stesso asse x.

hw = 500 − 2·24 = 452 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (200·500³ − 190·452³)/12
Ix = 6,212 × 10⁸ mm⁴ = 621,2 × 10⁶ mm⁴

Risposta

Ix = 621,2 × 10⁶ mm⁴
12.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: σin alto = 84,66 MPa

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 = 140·10 = 1400 mm², yf = 280 + 10/2 = 285 mm
anima: Aw = 18·280 = 5040 mm², yw = 280/2 = 140 mm

Baricentro

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1400·285 + 5040·140)/6440 = 171,5 mm

Teorema del trasporto

ala: 140·10³/12 + 1400·(285 − 171,5)² = 1,804 × 10⁷ mm⁴
anima: 18·280³/12 + 5040·(140 − 171,5)² = 3,794 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,804 × 10⁷ + 3,794 × 10⁷ = 5,598 × 10⁷ mm⁴

Tensione di flessione

Il bordo superiore dista h − ȳ dall’asse.

y = 290 − 171,5 = 118,5 mm
σ = M·y/I = 4 × 10⁷·118,5/5,598 × 10⁷ = 84,66 MPa

Risposta

σin alto = 84,66 MPa

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