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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 = (−5, −10, −5) N agisce su un oggetto mentre si muove in linea retta dal punto A(1, 3, 1) al punto B(3, 4, 2). Le coordinate sono in metri. Trova il lavoro W compiuto dalla forza.

F = (−5, −10, −5) NA(1, 3, 1) mB(3, 4, 2) m
W = J
2.Vettori: prodotto scalare e vettorialeDifficile
xyzabc

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

a = (−4, −1, 1)b = (5, −5, 1)c = (−5, 5, 1)
V =
3.Reazioni vincolari delle traviMedia
P1​ = 25 kNP2​ = 55 kNABCRA​ = ?1 m1,5 m1,5 m

La trave ha una cerniera in A e un carrello in B, a 2,5 m da A, e sporge a sbalzo oltre B fino all’estremo libero C. Trova la reazione verticale RA, considerando positivo il verso verso l’alto.

AB = 2,5 mAC = 4 mP1 = 25 kN in 1 mP2 = 55 kN in 4 m
RA = kN
4.Reazioni vincolari delle traviDifficile
P = 15 kN, 45°Q = 65 kNABRA​ = ?2 m1,5 m2,5 m

La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Un carico P agisce a 3,5 m da A, inclinato di 45° rispetto all’orizzontale, e un carico verticale Q agisce a 2 m da A. Trova il modulo della reazione totale RA nella cerniera A.

L = 6 mP = 15 kN in 3,5 m, θ = 45°Q = 65 kN in 2 m
RA = kN
5.Travatura: metodo dei nodiMedia
ABCDEFGH15 kN30 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: 15 kN ↓G: 30 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 kN25 kN10 kN20 kN4 × 3 m3 m

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

D: 35 kN ↓F: 25 kN ↓F: 10 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
2 kN5 m0,6 m1,9 mABCDE

Il telaio a A mostrato poggia su una cerniera in A e un carrello in B, distanti 5 m. Le gambe si incontrano nella cerniera C, alta 2,5 m, e il tirante orizzontale DE è a 0,6 m dal suolo. Un carico di 2 kN agisce in C. Trova il modulo della forza C che la cerniera C esercita sulla gamba BC.

P = 2 kNAB = 5 maltezza di C = 2,5 maltezza di DE = 0,6 m
C = kN
8.Telai e macchineDifficile
4 kN6 m1,5 m1,5 m0,75 mABCDEK

Il telaio a A mostrato poggia su una cerniera in A e un carrello in B, distanti 6 m, con la cerniera al vertice C alta 3 m e il tirante orizzontale DE a 1,5 m dal suolo. Un carico verticale di 4 kN agisce sulla gamba AC in K, a 0,75 m (in orizzontale) da A. Trova il modulo della forza C che la cerniera C esercita sulla gamba BC.

P = 4 kNAB = 6 maltezza di C = 3 maltezza di DE = 1,5 mdistanza orizzontale da A a K = 0,75 m
C = kN
9.Taglio e momento flettenteMedia
P1​ = 75 kNP2​ = 70 kNAB1 m5 m2 m

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

L = 8 mP1 = 75 kN in 1 mP2 = 70 kN in 6 m
Mmax = kN·m
10.Taglio e momento flettenteDifficile
w = 12 kN/mP = 45 kNABsezione3 m1 m

Trova il momento flettente Mx nella sezione x = 3 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 mP = 45 kN in 3 mw = 12 kN/m da 0 a 4 mx = 3 m
Mx = kN·m
11.Baricentro e momento d’inerziaMedia
xD = 100d = 84dimensioni in mm

Un tubo circolare ha diametro esterno D = 100 mm e diametro interno d = 84 mm. Trova il suo raggio d’inerzia r rispetto all’asse baricentrico orizzontale.

D = 100 mmd = 84 mm
r = mm
12.Baricentro e momento d’inerziaDifficile
300302808xM = 50 kN·mdimensioni in mm

La sezione a T è usata come trave con l’ala in alto e porta un momento flettente positivo di 50 kN·m. Trova la tensione di flessione σin basso al bordo inferiore.

bf = 300 mmtf = 30 mmtw = 8 mmhw = 280 mmM = 50 kN·m
σin basso = MPa

3Soluzioni

1.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: W = −25 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 = (3, 4, 2) − (1, 3, 1) = (2, 1, 1) m

Lavoro

W = F·d = (−5)·2 + (−10)·1 + (−5)·1 = −25 J

Risposta

W = −25 J

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

2.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: V = 50

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.

Prodotto vettoriale b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−5)·1 − 1·5 = −10
(b × c)y = bzcx − bxcz = 1·(−5) − 5·1 = −10
(b × c)z = bxcy − bycx = 5·5 − (−5)·(−5) = 0

Prodotto scalare con a

a·(b × c) = (−4)·(−10) + (−1)·(−10) + 1·0 = 50
V = |50| = 50

Risposta

V = 50
3.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = −18 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·2,5 = 25·1 + 55·4
RB = 245/2,5 = 98 kN

Equilibrio verticale

RA = 25 + 55 − 98 = −18 kN

Risposta

RA = −18 kN

RA è negativa: la cerniera in A deve trattenere la trave verso il basso.

4.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 48,92 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 = 15·sin 45° = 10,61 kN
Ph = 15·cos 45° = 10,61 kN

Reazioni

ΣMA = 0: RB·6 = 10,61·3,5 + 65·2 → RB = 27,85 kN
Ay = 10,61 + 65 − 27,85 = 47,75 kN
Ax = Ph = 10,61 kN

Risultante in A

RA = √(10,61² + 47,75²) = 48,92 kN

Risposta

RA = 48,92 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: 19,69 kN (T), BC: 28,12 kN (T), CD: 28,12 kN (T), DE: 14,06 kN (T), FG: 19,69 kN (C), GH: 14,06 kN (C), AF: 32,81 kN (C), HE: 23,44 kN (C), BF: 26,25 kN (T), CG: 0, DH: 18,75 kN (T), BG: 14,06 kN (C), DG: 23,44 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: 40 kN (T), BC: 45 kN (T), CD: 45 kN (T), DE: 50 kN (T), FG: 40 kN (C), GH: 50 kN (C), AF: 42,43 kN (C), HE: 70,71 kN (C), BF: 5 kN (T), CG: 0, DH: 30 kN (T), BG: 7,071 kN (C), DG: 7,071 kN (T)

Risposta

Asta scarica: CG
7.Telai e macchine

Risposta: C = 1,653 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 tirante dalla gamba BC

By = 1 kN
T = 1·2,5/1,9 = 1,316 kN

Componenti della forza sulla cerniera di BC

Cx = T = 1,316 kN, Cy = −By = −1 kN

Modulo

C = √(1,316² + 1²) = 1,653 kN

Risposta

C = 1,653 kN
8.Telai e macchine

Risposta: C = 1,118 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.

Reazione vincolare in B

By = 4·0,75/6 = 0,5 kN

Forza nel tirante

T = 0,5·3/1,5 = 1 kN

Forza sulla cerniera di BC

Cx = 1 kN, Cy = −0,5 kN
C = √(1² + 0,5²) = 1,118 kN

Risposta

C = 1,118 kN
9.Taglio e momento flettente

Risposta: Mmax = 123,8 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·8 = 75·1 + 70·6
RB = 495/8 = 61,88 kN
ΣFy = 0: RA = 145 − 61,88 = 83,13 kN

Momento sotto ciascun carico

Tieni la parte a sinistra di ciascun carico.

sotto P1: M = RA·1 = 83,13·1 = 83,13 kN·m
sotto P2: M = RB·2 = 61,88·2 = 123,8 kN·m

Valore massimo

Mmax = 123,8 kN·m (sotto P2)

Risposta

Mmax = 123,8 kN·m
10.Taglio e momento flettente

Risposta: Mx = 51,75 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 = 12·4 = 48 kN, applicata in x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 45·3 + 12·4·2
RB = 231/4 = 57,75 kN
ΣFy = 0: RA = 93 − 57,75 = 35,25 kN
w = 12 kN/mP = 45 kNABRA​ = 35,25RB​ = 57,75sezione3 m1 m

Taglia in x = 3 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 = 35,25·3 − 12·3·1,5 = 51,75 kN·m

Risposta

Mx = 51,75 kN·m
11.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: r = 32,65 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 = 2312 mm²
I = π(D⁴ − d⁴)/64 = 2,465 × 10⁶ mm⁴

Raggio d’inerzia

r = √(I/A) = √(2,465 × 10⁶/2312) = 32,65 mm

Risposta

r = 32,65 mm
12.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: σin basso = 226,1 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 = 300·30 = 9000 mm², yf = 280 + 30/2 = 295 mm
anima: Aw = 8·280 = 2240 mm², yw = 280/2 = 140 mm

Baricentro

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (9000·295 + 2240·140)/11240 = 264,1 mm

Teorema del trasporto

ala: 300·30³/12 + 9000·(295 − 264,1)² = 9,263 × 10⁶ mm⁴
anima: 8·280³/12 + 2240·(140 − 264,1)² = 4,914 × 10⁷ mm⁴
Ix = 9,263 × 10⁶ + 4,914 × 10⁷ = 5,84 × 10⁷ mm⁴

Tensione di flessione

Il bordo inferiore dista ȳ dall’asse.

y = 264,1 mm
σ = M·y/I = 5 × 10⁷·264,1/5,84 × 10⁷ = 226,1 MPa

Risposta

σin basso = 226,1 MPa

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