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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, 4) e b = (5, −3, 1), in gradi.

a = (−3, −3, 4)b = (5, −3, 1)
θ = °
2.Vettori: prodotto scalare e vettorialeDifficile
xyzABC

Trova l’area A del triangolo con vertici A(−4, −3, −4), B(2, 4, 4) e C(2, −1, 4). Le coordinate sono in metri.

A(−4, −3, −4)B(2, 4, 4)C(2, −1, 4)
A = m²
3.Reazioni vincolari delle traviMedia
P = 30 kNM = 50 kN·mABRA​ = ?2 m2,5 m0,5 m

La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Porta un carico concentrato P a 4,5 m da A e una coppia antioraria M a 2 m da A. Trova la reazione verticale RA, considerando positivo il verso verso l’alto.

L = 5 mP = 30 kN in 4,5 mM = 50 kN·m (antioraria) in 2 m
RA = kN
4.Reazioni vincolari delle traviDifficile
w = 12 kN/mP = 35 kNABRA​ = ?RB​3,5 m0,5 m1 m

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

L = 5 mP = 35 kN in 3,5 mw = 12 kN/m da 0 a 4 m
RA = kN
5.Travatura: metodo dei nodiMedia
ABCDEFGH15 kN30 kN15 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.

D: 15 kN ↓F: 30 kN ↓G: 15 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
6.Travatura: metodo dei nodiDifficile
ABCDEFGH35 kN15 kN25 kN20 kN4 × 3 m4 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 ↓F: 25 kN ↓H: 20 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
6 kN1 m1,5 m0,6 mABCD

Una trave orizzontale AB è incernierata a una parete in A e sostenuta dal puntone CD, incernierato alla parete in C, 0,6 m sotto A. Un carico di 6 kN è appeso in B. Trascura i pesi. Trova il modulo della forza A sulla cerniera della trave in A.

P = 6 kNAD = 1 mAB = 2,5 mAC = 0,6 m
A = kN
8.Telai e macchineDifficile
w = 1,5 kN/m10 kN1,6 m1,4 m0,8 mABCD

La trave AB della mensola a muro mostrata è incernierata in A e sostenuta dal puntone CD (C è 0,8 m sotto A). La trave porta un carico uniforme di 1,5 kN/m su tutta la lunghezza e un carico concentrato di 10 kN all’estremità libera B. Trova la forza FCD nel puntone.

w = 1,5 kN/mP = 10 kNAD = 1,6 mAB = 3 mAC = 0,8 m
FCD = kN
9.Taglio e momento flettenteMedia
w = 2 kN/mABsezione2,5 m1,5 m

Trova il momento flettente Mx nella sezione x = 2,5 m dall’appoggio A. Considera positivi i momenti che tendono le fibre inferiori e positivo il taglio verso l’alto sulla faccia sinistra.

L = 4 mw = 2 kN/m da 0 a 4 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
10.Taglio e momento flettenteDifficile
4 kN/m60 kN35 kN35 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

I punti da A a G dividono la trave in sei parti uguali. In quale punto il momento flettente è massimo in valore assoluto, positivo o negativo? Cliccalo nel diagramma.

60 kN @ 0 m35 kN @ 12 m35 kN @ 8 m4 kN/m, 2–10 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
11.Baricentro e momento d’inerziaMedia
xD = 210d = 178dimensioni in mm

Un tubo circolare ha diametro esterno D = 210 mm e diametro interno d = 178 mm. Trova il suo raggio d’inerzia r rispetto all’asse baricentrico orizzontale.

D = 210 mmd = 178 mm
r = mm
12.Baricentro e momento d’inerziaDifficile
2801020010xM positivodimensioni in mm

Una trave in ghisa ha la sezione a T mostrata, con l’ala in alto. Le tensioni ammissibili sono 40 MPa a trazione e 90 MPa a compressione. Trova il massimo momento flettente positivo Mallow che la trave può sopportare.

bf = 280 mmtf = 10 mmtw = 10 mmhw = 200 mmσt,allow = 40 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m

3Soluzioni

1.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: θ = 93,32 °

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.

Prodotto scalare

a·b = (−3)·5 + (−3)·(−3) + 4·1 = −2

Moduli

|a| = √((−3)² + (−3)² + 4²) = 5,831
|b| = √(5² + (−3)² + 1²) = 5,916

Angolo

cos θ = −2/(5,831·5,916) = −0,05798
θ = arccos(−0,05798) = 93,32°

Risposta

θ = 93,32°
2.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: A = 25 m²

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.

Vettori dei lati

AB = B − A = (6, 7, 8)
AC = C − A = (6, 2, 8)

Prodotto vettoriale

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 7·8 − 8·2 = 40
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 8·6 − 6·8 = 0
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 6·2 − 7·6 = −30
|AB × AC| = √(40² + 0² + (−30)²) = 50

Area del triangolo

A = ½·50 = 25 m²

Risposta

A = 25 m²
3.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 13 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.

Momenti rispetto ad A

Positivo in senso antiorario.

ΣMA = 0: RB·5 − 30·4,5 + 50 = 0
RB = 85/5 = 17 kN

Equilibrio verticale

RA = 30 − 17 = 13 kN

Risposta

RA = 13 kN

Una reazione negativa agisce verso il basso.

4.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 39,3 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 = 12 kN/mP = 35 kNABRA​RB​3,5 m0,5 m1 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 = 12·4 = 48 kN, applicata in x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·5 = 35·3,5 + 12·4·2
RB = 218,5/5 = 43,7 kN
ΣFy = 0: RA = 83 − 43,7 = 39,3 kN

Risposta

RA = 39,3 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 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: 45 kN (T), BC: 50 kN (T), CD: 50 kN (T), DE: 35 kN (T), FG: 45 kN (C), GH: 35 kN (C), AF: 56,25 kN (C), HE: 43,75 kN (C), BF: 3,75 kN (T), CG: 0, DH: 26,25 kN (T), BG: 6,25 kN (C), DG: 18,75 kN (C)

Risposta

Asta scarica: CG
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: 21,56 kN (T), BC: 18,12 kN (T), CD: 18,12 kN (T), DE: 14,69 kN (T), FG: 41,56 kN (C), GH: 34,69 kN (C), AF: 69,27 kN (C), HE: 24,48 kN (C), BF: 30,42 kN (T), CG: 0, DH: 19,58 kN (T), BG: 5,729 kN (T), DG: 5,729 kN (C)

Risposta

Asta scarica: CG
7.Telai e macchine

Risposta: A = 26,57 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.

Forza nel puntone

FCD = 6·2,5/(0,5145·1) = 29,15 kN

Componenti in A

Ax = FCD·cos α = 25 kN (verso la parete)
Ay = 6 − FCD·sin α = −9 kN

Modulo

A = √(25² + −9²) = 26,57 kN

Risposta

A = 26,57 kN

Un Ay negativo significa che la parete tira la trave verso il basso in A.

8.Telai e macchine

Risposta: FCD = 51,36 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.

Risultante del carico uniforme

w·L = 1,5·3 = 4,5 kN in 1,5 m

Momenti rispetto ad A per la trave

FCD·0,4472·1,6 = 4,5·1,5 + 10·3 = 36,75 kN·m
FCD = 51,36 kN

Risposta

FCD = 51,36 kN
9.Taglio e momento flettente

Risposta: Mx = 3,75 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 = 2·4 = 8 kN, applicata in x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 2·4·2
RB = 16/4 = 4 kN
ΣFy = 0: RA = 8 − 4 = 4 kN
w = 2 kN/mABRA​ = 4RB​ = 4sezione2,5 m1,5 m

Taglia in x = 2,5 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 = 4·2,5 − 2·2,5·1,25 = 3,75 kN·m

Risposta

Mx = 3,75 kN·m
10.Taglio e momento flettente

Risposta: B (x = 2 m)

Massimo momento flettente: M cambia pendenza ovunque cambi il taglio, quindi i suoi picchi stanno dove il taglio passa per zero: sotto un carico concentrato, dentro un carico distribuito, o sopra un appoggio di una trave a sbalzo. In un incastro di una mensola il momento è massimo alla parete. Confronta il valore di M in quei punti, positivo o negativo.

Reazioni vincolari

Prendi i momenti rispetto a un appoggio, poi usa l’equilibrio delle forze verticali.

R1 = 91 kN, R2 = 71 kN

Momento flettente in ogni punto

Somma i momenti di tutte le forze su un lato del taglio. Il verso che tende le fibre inferiori è positivo, quello opposto negativo.

MA = 0, MB = −120 kN·m, MC = −66, MD = −28, ME = −6, MF = −70, MG = 0

Risposta

Punto B: MB = −120 kN·m
11.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: r = 68,82 mm

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. Il raggio d’inerzia r = √(I/A) è la distanza alla quale l’intera area darebbe lo stesso I; si usa nell’instabilità a carico di punta dei pilastri.

Area netta e momento d’inerzia netto

A = π(D² − d²)/4 = 9752 mm²
I = π(D⁴ − d⁴)/64 = 4,619 × 10⁷ mm⁴

Raggio d’inerzia

r = √(I/A) = √(4,619 × 10⁷/9752) = 68,82 mm

Risposta

r = 68,82 mm
12.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Mallow = 4,85 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 = (2800·205 + 2000·100)/4800 = 161,3 mm
bordo superiore: c = 210 − 161,3 = 48,75 mm

Momento d’inerzia della sezione

I = 280·10³/12 + 2800·43,75² + 10·200³/12 + 2000·61,25² = 1,955 × 10⁷ mm⁴

Momento ammesso da ciascun bordo

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

bordo superiore: M = 90·1,955 × 10⁷/48,75 = 36,1 kN·m
bordo inferiore: M = 40·1,955 × 10⁷/161,3 = 4,85 kN·m

Valore determinante

Mallow = min = 4,85 kN·m (bordo inferiore)

Risposta

Mallow = 4,85 kN·m

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