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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 = (1, 0, 2) e b = (0, −5, 3), in gradi.

a = (1, 0, 2)b = (0, −5, 3)
θ = °
2.Vettori: prodotto scalare e vettorialeDifficile
xyzABC

Trova l’area A del triangolo con vertici A(3, 0, 3), B(−2, −4, 3) e C(3, 2, −3). Le coordinate sono in metri.

A(3, 0, 3)B(−2, −4, 3)C(3, 2, −3)
A = m²
3.Reazioni vincolari delle traviMedia
P = 60 kNM = 40 kN·mABRA​ = ?1 m1 m3 m

La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Porta un carico concentrato P a 1 m da A e una coppia oraria M a 2 m da A. Trova la reazione verticale RA, considerando positivo il verso verso l’alto.

L = 5 mP = 60 kN in 1 mM = 40 kN·m (oraria) in 2 m
RA = kN
4.Reazioni vincolari delle traviDifficile
w = 12 kN/mP = 15 kNABCRA​ = ?4 m1 m3 m

La trave ha una cerniera in A e un carrello in B, a 5 m da A, e sporge a sbalzo oltre B fino all’estremo libero C. Porta un carico concentrato P a 4 m da A e un carico uniformemente distribuito w da 4 m fino all’estremo libero a 8 m. Trova la reazione verticale RA, considerando positivo il verso verso l’alto.

AB = 5 mAC = 8 mP = 15 kN in 4 mw = 12 kN/m da 4 a 8 m
RA = kN
5.Travatura: metodo dei nodiMedia
ABCDEFGH25 kN35 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: 25 kN ↓D: 35 kN ↓F: 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
6.Travatura: metodo dei nodiDifficile
ABBCACACB45 kN10 kN6 m1 m3 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 = 3 mB è a 1 m da Acarico verticale = 45 kNcarico orizzontale = 10 kN →
FAC = kN
7.Telai e macchineMedia
5 kN4,8 m0,8 m2,8 m0,96 mABCDEK

Il telaio a A mostrato poggia su una cerniera in A e un carrello in B, distanti 4,8 m, con la cerniera al vertice C alta 3,6 m e il tirante orizzontale DE a 0,8 m dal suolo. Un carico verticale di 5 kN agisce sulla gamba AC in K, a 0,96 m (in orizzontale) da A. Trova la tensione T nel tirante.

P = 5 kNAB = 4,8 maltezza di C = 3,6 maltezza di DE = 0,8 mdistanza orizzontale da A a K = 0,96 m
T = kN
8.Telai e macchineDifficile
12 kN1 kN5 m4 mABC

Un braccio orizzontale uniforme AB di peso 1 kN è incernierato a una parete in A e sostenuto da un cavo dall’estremità B al punto C sulla parete, 4 m sopra A. Un carico di 12 kN è appeso in B. Trova la tensione T nel cavo.

W = 12 kNWb = 1 kNAB = 5 mAC = 4 m
T = kN
9.Taglio e momento flettenteMedia
w = 10 kN/mABsezione3,5 m2,5 m

Trova il taglio Vx nella sezione x = 3,5 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 = 3,5 m
Vx = kN
10.Taglio e momento flettenteDifficile
w = 8 kN/mP = 20 kNAB6 m4 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 = 10 mP = 20 kN in 6 mw = 8 kN/m da 0 a 10 m
Mmax = kN·m
11.Baricentro e momento d’inerziaMedia
2402530012xdimensioni in mm

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

bf = 240 mmtf = 25 mmtw = 12 mmhw = 300 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Baricentro e momento d’inerziaDifficile
2401510016xM negativodimensioni in mm

Una trave in ghisa ha la sezione a T mostrata, con l’ala in alto. Le tensioni ammissibili sono 30 MPa a trazione e 100 MPa a compressione. Trova il massimo momento flettente negativo Mallow che la trave può sopportare (indicane il valore assoluto).

bf = 240 mmtf = 15 mmtw = 16 mmhw = 100 mmσt,allow = 30 MPaσc,allow = 100 MPa
Mallow = kN·m

3Soluzioni

1.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: θ = 62,6 °

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 = 1·0 + 0·(−5) + 2·3 = 6

Moduli

|a| = √(1² + 0² + 2²) = 2,236
|b| = √(0² + (−5)² + 3²) = 5,831

Angolo

cos θ = 6/(2,236·5,831) = 0,4602
θ = arccos(0,4602) = 62,6°

Risposta

θ = 62,6°
2.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: A = 19,85 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 = (−5, −4, 0)
AC = C − A = (0, 2, −6)

Prodotto vettoriale

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−4)·(−6) − 0·2 = 24
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 0·0 − (−5)·(−6) = −30
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−5)·2 − (−4)·0 = −10
|AB × AC| = √(24² + (−30)² + (−10)²) = 39,7

Area del triangolo

A = ½·39,7 = 19,85 m²

Risposta

A = 19,85 m²
3.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 40 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 − 60·1 − 40 = 0
RB = 100/5 = 20 kN

Equilibrio verticale

RA = 60 − 20 = 40 kN

Risposta

RA = 40 kN

Una reazione negativa agisce verso il basso.

4.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = −6,6 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 distribuito

W = 12·4 = 48 kN, x̄ = (4 + 8)/2 = 6 m

Equilibrio

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

ΣMA = 0: RB·5 = 15·4 + 48·6
RB = 348/5 = 69,6 kN
RA = 63 − 69,6 = −6,6 kN

Risposta

RA = −6,6 kN

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

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: 31,88 kN (T), BC: 30 kN (T), CD: 30 kN (T), DE: 28,12 kN (T), FG: 31,87 kN (C), GH: 28,12 kN (C), AF: 53,13 kN (C), HE: 46,87 kN (C), BF: 22,5 kN (T), CG: 0, DH: 37,5 kN (T), BG: 3,125 kN (T), DG: 3,125 kN (C)

Risposta

Asta scarica: CG
6.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: FAC = 20,83 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.

ABBCACACB45 kN10 kNAy​Cy​Ax​

Reazioni vincolari

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 45·1 + 10·3 → Cy = 12,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 12,5 = 32,5 kN
ΣFx = 0: Ax = −10 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 = 3/5,831 = 0,5145, cos γ = 5/5,831 = 0,8575
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −12,5/0,5145 = −24,3 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−24,3)·0,8575 = 20,83 kN

Risposta

FAC = 20,83 kN (trazione)
7.Telai e macchine

Risposta: T = 0,8571 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 = 5·0,96/4,8 = 1 kN

Gamba BC: momenti rispetto a C

1·2,4 = T·2,8
T = 0,8571 kN

Risposta

T = 0,8571 kN
8.Telai e macchine

Risposta: T = 20,01 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.

Angolo del cavo

BC = √(5² + 4²) = 6,403 m, sin β = 0,6247

Momenti rispetto ad A

T·0,6247·5 = 12·5 + 1·2,5
T = 20,01 kN

Risposta

T = 20,01 kN
9.Taglio e momento flettente

Risposta: Vx = −5 kN

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​ = 30sezione3,5 m2,5 m

Taglia in x = 3,5 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.

V = RA − (tutti i carichi verso il basso a sinistra del taglio)
Vx = 30 − 10·3,5 = −5 kN

Risposta

Vx = −5 kN
10.Taglio e momento flettente

Risposta: Mmax = 144 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 = 8·10 = 80 kN, applicata in x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 20·6 + 8·10·5
RB = 520/10 = 52 kN
ΣFy = 0: RA = 100 − 52 = 48 kN

Dove è V = 0?

V(6⁻) = RA − w·6 = 0 kN
V(6⁺) = 0 − 20 = −20 kN
Il taglio cambia segno in corrispondenza del carico, quindi il massimo è sotto il carico.

Momento massimo

Mmax = RA·6 − w·6²/2 = 48·6 − 8·6²/2 = 144 kN·m

Risposta

Mmax = 144 kN·m

Si trova in x = 6 m da A.

11.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Ix = 86,73 × 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 = 240·25 = 6000 mm², yf = 300 + 25/2 = 312,5 mm
anima: Aw = 12·300 = 3600 mm², yw = 300/2 = 150 mm

Baricentro

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6000·312,5 + 3600·150)/9600 = 251,6 mm

Teorema del trasporto

ala: 240·25³/12 + 6000·(312,5 − 251,6)² = 2,259 × 10⁷ mm⁴
anima: 12·300³/12 + 3600·(150 − 251,6)² = 6,413 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2,259 × 10⁷ + 6,413 × 10⁷ = 8,673 × 10⁷ mm⁴ = 86,73 × 10⁶ mm⁴

Risposta

Ix = 86,73 × 10⁶ mm⁴
12.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Mallow = 5,638 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 = (3600·107,5 + 1600·50)/5200 = 89,81 mm
bordo superiore: c = 115 − 89,81 = 25,19 mm

Momento d’inerzia della sezione

I = 240·15³/12 + 3600·17,69² + 16·100³/12 + 1600·39,81² = 5,063 × 10⁶ mm⁴

Momento ammesso da ciascun bordo

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

bordo superiore: M = 30·5,063 × 10⁶/25,19 = 6,029 kN·m
bordo inferiore: M = 100·5,063 × 10⁶/89,81 = 5,638 kN·m

Valore determinante

Mallow = min = 5,638 kN·m (bordo inferiore)

Risposta

Mallow = 5,638 kN·m

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