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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| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
Versore: û = a/|a|
Componenti a partire da un angolo: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
Prodotto scalare: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
Proiezione scalare di a su b: a·b/|b|
Lavoro: W = F·d
Prodotto vettoriale: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
Aree: parallelogramma |a × b|, triangolo ½|a × b|
Momento rispetto a O: M_O = r × F, r = A − O
Volume di un parallelepipedo: V = |a·(b × c)|

Metodo

Scrivi ogni vettore in componenti; per una forza data da un modulo e un angolo, usa F·cos θ e F·sin θ.
Per lunghezze e direzioni usa il modulo √(x² + y² + z²) e il versore a/|a|.
Usa il prodotto scalare per angoli, proiezioni, perpendicolarità e lavoro: a·b = |a||b|cos θ.
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: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Carico uniforme: risultante w·L al centro del carico
Momento: M = F·d

Metodo

Disegna un diagramma di corpo libero e sostituisci ogni vincolo con le sue reazioni.
Sostituisci ogni carico distribuito con un’unica forza applicata nel suo baricentro.
Calcola i momenti rispetto a un vincolo per trovare la reazione nell’altro.
Usa ΣF_y = 0 per trovare la reazione rimanente e verifica con una seconda equazione dei momenti.

Travatura: metodo dei nodi

Metodo dei nodi: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
Metodo delle sezioni: ΣM = 0 about a cut point
Sforzo nell’asta: positivo = trazione, negativo = compressione

Metodo

Trova le reazioni vincolari dell’intera travatura reticolare.
Metodo dei nodi: parti da un nodo con al massimo due sforzi incogniti nelle aste e usa ΣF_x = 0 e ΣF_y = 0.
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.
Ipotizza trazione; una risposta negativa significa compressione.

Telai e macchine

Equilibrio di ogni elemento: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 = √(F_x² + F_y²)
Leva, pinza, leva a squadra: F_in·a = F_out·b
Ginocchiera: F_link = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Carico uniforme: risultante w·L al centro del carico

Metodo

Disegna l’intera struttura e trova le reazioni vincolari se le incognite non sono più di tre.
Individua le aste a due forze: caricate solo in due cerniere, la loro forza agisce lungo la retta che unisce le cerniere.
Smonta il telaio e disegna ogni elemento a parte, con forze sulle cerniere uguali e opposte dove gli elementi si incontrano.
Per ogni elemento, prendi i momenti rispetto a una cerniera con forze incognite, poi usa ΣF_x = 0 e ΣF_y = 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/y_max
Trave appoggiata, carico uniforme: M_max = wL²/8

Metodo

Trova le reazioni vincolari dall’equilibrio dell’intera trave.
Taglia la trave nella sezione che ti serve e considera una sola parte.
Taglio: somma delle forze verticali su quella parte. Momento flettente: somma dei loro momenti rispetto alla sezione di taglio.
Per il momento massimo, trova dove il taglio è nullo.

Baricentro e momento d’inerzia

Baricentro: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
Rettangolo: I = bh³/12
Teorema del trasporto: I = I_c + A·d²
Sezione composta: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

2Esercizi

1.Vettori: prodotto scalare e vettorialeMedia

Trova la proiezione scalare comp_b a di a = (−1, 5, −5) su b = (2, −4, 5), cioè la componente di a nella direzione di b.

a = (−1, 5, −5)b = (2, −4, 5)

comp_b a =

2.Vettori: prodotto scalare e vettorialeDifficile

Per a = (3, 5, −2) e b = (−5, 3, 2), trova la componente x (a × b)_x del prodotto vettoriale a × b.

a = (3, 5, −2)b = (−5, 3, 2)

(a × b)_x =

3.Reazioni vincolari delle traviMedia

La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Porta un carico concentrato P a 7 m da A e una coppia antioraria M a 2 m da A. Trova la reazione verticale R_A, considerando positivo il verso verso l’alto.

L = 8 mP = 70 kN in 7 mM = 30 kN·m (antioraria) in 2 m

R_A = kN

4.Reazioni vincolari delle traviDifficile

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

L = 4 mP = 20 kN in 1 mw = 4 kN/m da 0 a 1 m

R_A = kN

5.Travatura: metodo dei nodiMedia

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

luce = 5 maltezza = 2 mB è a 4 m da Acarico verticale = 45 kN

F_AC = kN

6.Travatura: metodo dei nodiDifficile

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

B: 40 kN ↓F: 15 kN →G: 25 kN ↓H: 10 kN ↓

1asta AB
2asta BC
3asta CD
4asta DE
5asta FG
6asta GH
7asta AF
8asta HE
9asta BF
10asta CG
11asta DH
12asta FC
13asta HC

7.Telai e macchineMedia

Il telaio a A mostrato poggia su una cerniera in A e un carrello in B, distanti 2,4 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 0,9 m (in orizzontale) da A. Trova la tensione T nel tirante.

P = 4 kNAB = 2,4 maltezza di C = 3 maltezza di DE = 1,5 mdistanza orizzontale da A a K = 0,9 m

T = kN

8.Telai e macchineDifficile

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 2,5 m e 2,7 m a destra di A. L’elemento AB porta un carico verticale di 6 kN in K, a 1,08 m (in orizzontale) da A, e un carico orizzontale di 5 kN verso destra agisce in B sull’elemento AB. Trova il modulo della reazione orizzontale A_x in A.

P = 6 kNQ = 5 kNL = 6 mH = 2,5 mdistanza orizzontale da A a B = 2,7 mdistanza orizzontale da A a K = 1,08 m

A_x = kN

9.Taglio e momento flettenteMedia

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.

10 kN @ 6 m4 kN/m, 0–12 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)

10.Taglio e momento flettenteDifficile

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 @ 6 m6 kN/m, 0–5 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)

11.Baricentro e momento d’inerziaMedia

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

b_f = 120 mmt_f = 25 mmt_w = 16 mmh_w = 140 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.Baricentro e momento d’inerziaDifficile

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 σ_{in alto} al bordo superiore.

b_f = 300 mmt_f = 30 mmt_w = 20 mmh_w = 220 mmM = 40 kN·m

σ_{in alto} = MPa

3Soluzioni

1.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: comp_b a = −7,006

Dot product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |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)·2 + 5·(−4) + (−5)·5 = −47

Lunghezza di b

|b| = √(2² + (−4)² + 5²) = 6,708

Proiezione scalare

comp_b a = a·b/|b| = −47/6,708 = −7,006

Risposta

comp_b a = −7,006

Negativa: a ha una componente rivolta contro b.

2.Vettori: prodotto scalare e vettoriale

Risposta: (a × b)_x = 16

Cross product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) 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 M_O = r × F, with r = A − O.

Prodotto vettoriale, componente per componente

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = 5·2 − (−2)·3 = 16

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = (−2)·(−5) − 3·2 = 4

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = 3·3 − 5·(−5) = 34

Componente richiesta

(a × b)_x = 16

Risposta

(a × b)_x = 16

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: R_A = 12,5 kN

Equilibrio statico: un corpo in quiete ha ΣF_x = 0, ΣF_y = 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.

ΣM_A = 0: R_B·8 − 70·7 + 30 = 0

R_B = 460/8 = 57,5 kN

Equilibrio verticale

R_A = 70 − 57,5 = 12,5 kN

Risposta

R_A = 12,5 kN

Una reazione negativa agisce verso il basso.

4.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: R_A = 18,5 kN

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

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 = 4·1 = 4 kN, applicata in x̄ = 0,5 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 20·1 + 4·1·0,5

R_B = 22/4 = 5,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 24 − 5,5 = 18,5 kN

Risposta

R_A = 18,5 kN

5.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: F_AC = 18 kN

Metodo dei nodi: ogni nodo di una travatura è in equilibrio, quindi ΣF_x = 0 e ΣF_y = 0 in ogni nodo. Inizia da un nodo con al massimo due forze incognite. Un risultato negativo significa che l’asta è compressa.

Reazioni vincolari

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

ΣM_A = 0: C_y·5 = 45·4 → C_y = 36 kN

ΣF_y = 0: A_y = 45 − 36 = 9 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 = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −36/0,8944 = −40,25 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−40,25)·0,4472 = 18 kN

Risposta

F_AC = 18 kN (trazione)

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 → F_DH = 0

Verifica con il metodo dei nodi

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

AB: 56,25 kN (T), BC: 56,25 kN (T), CD: 33,75 kN (T), DE: 33,75 kN (T), FG: 57,5 kN (C), GH: 57,5 kN (C), AF: 58,34 kN (C), HE: 47,73 kN (C), BF: 40 kN (T), CG: 25 kN (C), DH: 0, FC: 1,768 kN (T), HC: 33,59 kN (T)

Risposta

Asta scarica: DH

7.Telai e macchine

Risposta: T = 1,2 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 ΣF_x = 0, ΣF_y = 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

B_y = 4·0,9/2,4 = 1,5 kN

Gamba BC: momenti rispetto a C

1,5·1,2 = T·1,5

T = 1,2 kN

Risposta

T = 1,2 kN

8.Telai e macchine

Risposta: A_x = 0,8244 kN

Direzione di BC

BC = 4,14 m, cos = 0,7971, sin = 0,6039

Telaio completo: momenti rispetto ad A

F_BC·0,6039·6 = 6·1,08 + 5·2,5

F_BC = 5,239 kN

Equilibrio orizzontale

A_x + 5 − 5,239·0,7971 = 0

A_x = −0,8244 kN → |A_x| = 0,8244 kN

Risposta

A_x = 0,8244 kN

Il segno meno significa che A_x punta verso sinistra.

9.Taglio e momento flettente

Risposta: D (x = 6 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 = 29 kN, R₂ = 29 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.

M_A = 0, M_B = 50, M_C = 84, M_D = 102 kN·m, M_E = 84, M_F = 50, M_G = 0

Risposta

Punto D: M_D = 102 kN·m

10.Taglio e momento flettente

Risposta: F (x = 5 m)

Reazioni vincolari

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

R₁ = 3 kN, R₂ = 87 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.

M_A = 0, M_B = 0, M_C = −6, M_D = −18, M_E = −36, M_F = −60 kN·m, M_G = 0

Risposta

Punto F: M_F = −60 kN·m

11.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: I_x = 12,54 × 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: A_f = 120·25 = 3000 mm², y_f = 140 + 25/2 = 152,5 mm

anima: A_w = 16·140 = 2240 mm², y_w = 140/2 = 70 mm

Baricentro

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (3000·152,5 + 2240·70)/5240 = 117,2 mm

Teorema del trasporto

ala: 120·25³/12 + 3000·(152,5 − 117,2)² = 3,888 × 10⁶ mm⁴

anima: 16·140³/12 + 2240·(70 − 117,2)² = 8,656 × 10⁶ mm⁴

I_x = 3,888 × 10⁶ + 8,656 × 10⁶ = 1,254 × 10⁷ mm⁴ = 12,54 × 10⁶ mm⁴

Risposta

I_x = 12,54 × 10⁶ mm⁴

12.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: σ_{in alto} = 34,7 MPa

Dividi in due rettangoli

Misura ogni y dal bordo inferiore.

ala: A_f = 300·30 = 9000 mm², y_f = 220 + 30/2 = 235 mm

anima: A_w = 20·220 = 4400 mm², y_w = 220/2 = 110 mm

Baricentro

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (9000·235 + 4400·110)/13400 = 194 mm

Teorema del trasporto

ala: 300·30³/12 + 9000·(235 − 194)² = 1,584 × 10⁷ mm⁴

anima: 20·220³/12 + 4400·(110 − 194)² = 4,876 × 10⁷ mm⁴

I_x = 1,584 × 10⁷ + 4,876 × 10⁷ = 6,46 × 10⁷ mm⁴

Tensione di flessione

Il bordo superiore dista h − ȳ dall’asse.

y = 250 − 194 = 56,04 mm

σ = M·y/I = 4 × 10⁷·56,04/6,46 × 10⁷ = 34,7 MPa

Risposta

σ_{in alto} = 34,7 MPa

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