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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 il valore di k per cui i vettori a = (−4, 3, 6) e b = (k, 1, 1) sono perpendicolari.

a = (−4, 3, 6)b = (k, 1, 1)
k =
2.Vettori: prodotto scalare e vettorialeDifficile
xyzab

Per a = (−5, 2, 4) e b = (1, −2, 0), trova la componente x (a × b)x del prodotto vettoriale a × b.

a = (−5, 2, 4)b = (1, −2, 0)
(a × b)x =
3.Reazioni vincolari delle traviMedia
P1​ = 55 kNP2​ = 15 kNABRA​ = ?RB​1,5 m1,5 m2 m

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

L = 5 mP1 = 55 kN in 1,5 mP2 = 15 kN in 3 m
RA = kN
4.Reazioni vincolari delle traviDifficile
w = 3 kN/mP = 15 kNABCRB​ = ?3 m4 m1 m2 m

La trave ha una cerniera in A e un carrello in B, a 8 m da A, e sporge a sbalzo oltre B fino all’estremo libero C. Porta un carico concentrato P a 3 m da A e un carico uniformemente distribuito w da 7 m fino all’estremo libero a 10 m. Trova la reazione verticale RB, considerando positivo il verso verso l’alto.

AB = 8 mAC = 10 mP = 15 kN in 3 mw = 3 kN/m da 7 a 10 m
RB = kN
5.Travatura: metodo dei nodiMedia
ABBCACACB60 kN5 m3 m3 m

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

luce = 5 maltezza = 3 mB è a 3 m da Acarico verticale = 60 kN
FAB = kN
6.Travatura: metodo dei nodiDifficile
ABBCACACB20 kN30 kN4 m3 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 = 4 maltezza = 4 mB è a 3 m da Acarico verticale = 20 kNcarico orizzontale = 30 kN ←
FAC = kN
7.Telai e macchineMedia
400 NQ = ?10°ABC

Nel morsetto a ginocchiera mostrato, due bielle uguali AB e BC sono incernierate in B, e ciascuna forma un angolo di 10° con la retta AC. Una forza verso il basso di 400 N è applicata in B. Il cursore C preme su un pezzo. Trascurando attrito e pesi, trova la forza di serraggio orizzontale Q.

F = 400 Nθ = 10°
Q = N
8.Telai e macchineDifficile
w = 1,5 kN/m5 kN2 m1,6 m1 mABCD

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

w = 1,5 kN/mP = 5 kNAD = 2 mAB = 3,6 mAC = 1 m
FCD = kN
9.Taglio e momento flettenteMedia
4 kN/m15 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 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.

15 kN @ 3 m4 kN/m, 0–6 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
10.Taglio e momento flettenteDifficile
w = 4 kN/mP = 60 kNABsezione4 m2 m4 m

Trova il momento flettente Mx nella sezione x = 4 m dall’appoggio A. Considera positivi i momenti che tendono le fibre inferiori e positivo il taglio verso l’alto sulla faccia sinistra.

L = 10 mP = 60 kN in 6 mw = 4 kN/m da 0 a 10 mx = 4 m
Mx = kN·m
11.Baricentro e momento d’inerziaMedia
120120t = 8xdimensioni in mm

Una sezione a C è disposta con il lato aperto verso l’alto: una piastra di base larga 120 mm con due ali verticali, alta 120 mm fuori tutto. Base e ali hanno tutte spessore 8 mm. Trova il suo momento d’inerzia Ix rispetto all’asse orizzontale x passante per il baricentro.

b = 120 mmh = 120 mmt = 8 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Baricentro e momento d’inerziaDifficile
1001528020xM = 15 kN·mdimensioni in mm

La sezione a T è usata come trave con l’ala in alto e porta un momento flettente positivo di 15 kN·m. Trova il valore della tensione di flessione σin alto al bordo superiore.

bf = 100 mmtf = 15 mmtw = 20 mmhw = 280 mmM = 15 kN·m
σin alto = MPa

3Soluzioni

1.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: k = 2,25

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.

Il prodotto scalare è uguale a zero

a·b = (−4)·k + 3·1 + 6·1 = 0
9 + (−4)·k = 0

Risolvi per k

k = −9/(−4) = 2,25

Risposta

k = 2,25
2.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: (a × b)x = 8

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, componente per componente

(a × b)x = aybz − azby = 2·0 − 4·(−2) = 8
(a × b)y = azbx − axbz = 4·1 − (−5)·0 = 4
(a × b)z = axby − aybx = (−5)·(−2) − 2·1 = 8

Componente richiesta

(a × b)x = 8

Risposta

(a × b)x = 8

Controllo: a × b è perpendicolare a entrambi i vettori, quindi il suo prodotto scalare con a e con b è nullo.

3.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 44,5 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​ = 55 kNP2​ = 15 kNABRA​RB​1,5 m1,5 m2 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·5 = 55·1,5 + 15·3
RB = 127,5/5 = 25,5 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 25,5 = 44,5 kN

Risposta

RA = 44,5 kN
4.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RB = 15,19 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 = 3·3 = 9 kN, x̄ = (7 + 10)/2 = 8,5 m

Equilibrio

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

ΣMA = 0: RB·8 = 15·3 + 9·8,5
RB = 121,5/8 = 15,19 kN
RA = 24 − 15,19 = 8,813 kN

Risposta

RB = 15,19 kN
5.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: FAB = −33,94 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.

ABBCACACB60 kNAy​Cy​

Reazioni vincolari

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 60·3 → Cy = 36 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 36 = 24 kN

Nodo A

Supponi che ogni asta sia in trazione (che tiri via dal nodo). Solo AB ha una componente verticale in A.

sin α = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −24/0,7071 = −33,94 kN

Risposta

FAB = −33,94 kN (compressione)
6.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: FAC = −3,75 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.

ABBCACACB20 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Reazioni vincolari

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 20·3 − 30·4 → Cy = −15 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − −15 = 35 kN
ΣFx = 0: Ax = 30 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 = 4/4,123 = 0,9701, cos γ = 1/4,123 = 0,2425
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −−15/0,9701 = 15,46 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(15,46)·0,2425 = −3,75 kN

Risposta

FAC = −3,75 kN (compressione)
7.Telai e macchine

Risposta: Q = 1134 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 10° = 400
Flink = 1152 N

Forza di serraggio

Q = Flink·cos 10° = 400/(2·tan 10°) = 1134 N

Risposta

Q = 1134 N

Il rapporto tra le forze Q/F = 2,836 cresce senza limite quando le bielle si raddrizzano.

8.Telai e macchine

Risposta: FCD = 30,99 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 = 1,5·3,6 = 5,4 kN in 1,8 m

Momenti rispetto ad A per la trave

FCD·0,4472·2 = 5,4·1,8 + 5·3,6 = 27,72 kN·m
FCD = 30,99 kN

Risposta

FCD = 30,99 kN
9.Taglio e momento flettente

Risposta: D (x = 3 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 = 19,5 kN, R2 = 19,5 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 = 17,5, MC = 31, MD = 40,5 kN·m, ME = 31, MF = 17,5, MG = 0

Risposta

Punto D: MD = 40,5 kN·m
10.Taglio e momento flettente

Risposta: Mx = 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.

Reazioni vincolari

Equilibrio dell’intera trave.

Risultante del carico distribuito: W = w·ℓ = 4·10 = 40 kN, applicata in x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 60·6 + 4·10·5
RB = 560/10 = 56 kN
ΣFy = 0: RA = 100 − 56 = 44 kN
w = 4 kN/mP = 60 kNABRA​ = 44RB​ = 56sezione4 m2 m4 m

Taglia in x = 4 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 = 44·4 − 4·4·2 = 144 kN·m

Risposta

Mx = 144 kN·m
11.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Ix = 4,129 × 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 rettangoli

Prendi la base a larghezza piena e le due ali sopra di essa (altezza h − t), così niente viene contato due volte.

base: A1 = 120·8 = 960 mm², y1 = 4 mm
due ali: A2 = 2·8·112 = 1792 mm², y2 = 8 + 112/2 = 64 mm

Baricentro

ȳ = (960·4 + 1792·64)/2752 = 43,07 mm

Teorema del trasporto

base: 120·8³/12 + 960·(4 − 43,07)² = 1,471 × 10⁶ mm⁴
due ali: 2·8·112³/12 + 1792·(64 − 43,07)² = 2,658 × 10⁶ mm⁴
Ix = 1,471 × 10⁶ + 2,658 × 10⁶
Ix = 4,129 × 10⁶ mm⁴ = 4,129 × 10⁶ mm⁴

Risposta

Ix = 4,129 × 10⁶ mm⁴
12.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: σin alto = 29,79 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 = 100·15 = 1500 mm², yf = 280 + 15/2 = 287,5 mm
anima: Aw = 20·280 = 5600 mm², yw = 280/2 = 140 mm

Baricentro

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1500·287,5 + 5600·140)/7100 = 171,2 mm

Teorema del trasporto

ala: 100·15³/12 + 1500·(287,5 − 171,2)² = 2,033 × 10⁷ mm⁴
anima: 20·280³/12 + 5600·(140 − 171,2)² = 4,202 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2,033 × 10⁷ + 4,202 × 10⁷ = 6,235 × 10⁷ mm⁴

Tensione di flessione

Il bordo superiore dista h − ȳ dall’asse.

y = 295 − 171,2 = 123,8 mm
σ = M·y/I = 1,5 × 10⁷·123,8/6,235 × 10⁷ = 29,79 MPa

Risposta

σin alto = 29,79 MPa

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