Esercizi sulla Statica dei Corpi Rigidi

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Esercizi sulla Statica dei Corpi Rigidi

Versione italiana

Esercizi sulla Statica dei Corpi Rigidi

Concetti Chiave

  1. Corpo Rigido: Un corpo che non deforma sotto l'azione di forze esterne. Le distanze tra i punti del corpo rimangono costanti.

  2. Equilibrio: Un corpo rigido è in equilibrio quando la somma delle forze e la somma dei momenti torcentali che agiscono su di esso sono entrambe nulle.

    • Condizione di Equilibrio delle Forze:
      \sum \vec{F} = 0 F=0 \sum \vec{F} = 0

    • Condizione di Equilibrio dei Momenti:
      \sum \vec{M} = 0 M=0 \sum \vec{M} = 0

  3. Forza: Una grandezza vettoriale che causa un cambiamento nel moto di un corpo. È definita come il prodotto della massa e dell'accelerazione (\vec{F} = m \vec{a}F=ma\vec{F} = m \vec{a}).

  4. Momento Torcentale: Il momento torcentale rispetto a un punto è dato da:
    \vec{M} = \vec{r} \times \vec{F} M=r×F \vec{M} = \vec{r} \times \vec{F}
    dove \vec{r}r\vec{r} è il vettore posizione dal punto di rotazione alla linea d'azione della forza.

Esercizio 1: Equilibrio di un Corpo Sospeso

Problema: Un corpo di massa m = 10 \, \text{kg}m=10kgm = 10 \, \text{kg} è sospeso a un gancio tramite un cavo. Calcola la tensione TTT nel cavo.

Soluzione:

  1. La forza peso del corpo è data da:
    \vec{F}_g = m \cdot g = 10 \, \text{kg} \cdot 9.81 \, \text{m/s}^2 = 98.1 \, \text{N} Fg=mg=10kg9.81m/s2=98.1N \vec{F}_g = m \cdot g = 10 \, \text{kg} \cdot 9.81 \, \text{m/s}^2 = 98.1 \, \text{N}

  2. In equilibrio, la tensione nel cavo deve bilanciare il peso del corpo:
    T = F_g = 98.1 \, \text{N} T=Fg=98.1N T = F_g = 98.1 \, \text{N}

Quindi, la tensione nel cavo è T = 98.1 \, \text{N}T=98.1NT = 98.1 \, \text{N}.

Esercizio 2: Momento Torcentale su un Braccio

Problema: Un braccio di leva lungo L = 2 \, \text{m}L=2mL = 2 \, \text{m} sostiene un carico di F = 50 \, \text{N}F=50NF = 50 \, \text{N} a una distanza di d = 1 \, \text{m}d=1md = 1 \, \text{m} dal punto di supporto. Calcola il momento torcentale MMM rispetto al punto di supporto.

Soluzione:

  1. Il momento torcentale è dato da:
    M = F \cdot d M=Fd M = F \cdot d

  2. Sostituendo i valori:
    M = 50 \, \text{N} \cdot 1 \, \text{m} = 50 \, \text{N} \cdot \text{m} M=50N1m=50Nm M = 50 \, \text{N} \cdot 1 \, \text{m} = 50 \, \text{N} \cdot \text{m}

Quindi, il momento torcentale è M = 50 \, \text{N} \cdot \text{m}M=50NmM = 50 \, \text{N} \cdot \text{m}.

Esercizio 3: Equilibrio di un Trave Orizzontale

Problema: Un trave orizzontale di lunghezza L = 4 \, \text{m}L=4mL = 4 \, \text{m} è sostenuto da due supporti A e B. Un carico di P = 200 \, \text{N}P=200NP = 200 \, \text{N} è posizionato a 2 \, \text{m}2m2 \, \text{m} da A. Calcola le reazioni nei supporti A e B.

Soluzione:

  1. Denotiamo le reazioni nei supporti A e B come R_ARAR_A e R_BRBR_B.

  2. In equilibrio, la somma delle forze verticali deve essere zero:
    R_A + R_B = P RA+RB=P R_A + R_B = P
    Sostituendo i valori:
    R_A + R_B = 200 \, \text{N} \quad (1) RA+RB=200N(1) R_A + R_B = 200 \, \text{N} \quad (1)

  3. Calcoliamo il momento rispetto al punto A:
    \sum M_A = 0 \implies R_B \cdot L - P \cdot d = 0 MA=0    RBLPd=0 \sum M_A = 0 \implies R_B \cdot L - P \cdot d = 0
    Sostituendo i valori:
    R_B \cdot 4 - 200 \cdot 2 = 0 \implies R_B \cdot 4 - 400 = 0 RB42002=0    RB4400=0 R_B \cdot 4 - 200 \cdot 2 = 0 \implies R_B \cdot 4 - 400 = 0

  4. Risolvendo per R_BRBR_B:

    R_B \cdot 4 = 400 \implies R_B = \frac{400}{4} = 100 \, \text{N} RB4=400    RB=4004=100N R_B \cdot 4 = 400 \implies R_B = \frac{400}{4} = 100 \, \text{N}

  5. Ora sostituiamo il valore di R_BRBR_B nell'equazione (1) per trovare R_ARAR_A:

    R_A + 100 = 200 \implies R_A = 200 - 100 = 100 \, \text{N} RA+100=200    RA=200100=100N R_A + 100 = 200 \implies R_A = 200 - 100 = 100 \, \text{N}

Quindi, le reazioni nei supporti A e B sono:

  • R_A = 100 \, \text{N}RA=100NR_A = 100 \, \text{N}
  • R_B = 100 \, \text{N}RB=100NR_B = 100 \, \text{N}

English version

Exercises on Statics of Rigid Bodies

Key Concepts

  1. Rigid Body: A body that does not deform under the action of external forces. The distances between the points of the body remain constant.

  2. Equilibrium: A rigid body is in equilibrium when the sum of the forces and the sum of the torques acting on it are both zero.

  • Condition of Equilibrium of Forces:
    \sum \vec{F} = 0 F=0 \sum \vec{F} = 0

  • Condition of Equilibrium of Moments:
    \sum \vec{M} = 0 M=0 \sum \vec{M} = 0

  1. Force: A vector quantity that causes a change in the motion of a body. It is defined as the product of the mass and the acceleration (\vec{F} = m \vec{a}F=ma\vec{F} = m \vec{a}).

  2. Torque Moment: The torque moment about a point is given by:
    \vec{M} = \vec{r} \times \vec{F} M=r×F \vec{M} = \vec{r} \times \vec{F}
    where \vec{r}r\vec{r} is the position vector from the point of rotation to the line of action of the force.

Exercise 1: Equilibrium of a Suspended Body

Problem: A body of mass m = 10 \, \text{kg}m=10kgm = 10 \, \text{kg} is suspended from a hook by a cable. Calculate the tension TTT in the cable.

Solution:

  1. The weight of the body is given by:
    \vec{F}_g = m \cdot g = 10 \, \text{kg} \cdot 9.81 \, \text{m/s}^2 = 98.1 \, \text{N} Fg=mg=10kg9.81m/s2=98.1N \vec{F}_g = m \cdot g = 10 \, \text{kg} \cdot 9.81 \, \text{m/s}^2 = 98.1 \, \text{N}

  2. In equilibrium, the tension in the cable must balance the weight of the body:
    T = F_g = 98.1 \, \text{N} T=Fg=98.1N T = F_g = 98.1 \, \text{N}

Therefore, the tension in the cable is T = 98.1 \, \text{N}T=98.1NT = 98.1 \, \text{N}.

Exercise 2: Torque Moment on an Arm

Problem: A lever arm of length L = 2 \, \text{m}L=2mL = 2 \, \text{m} supports a load of F = 50 \, \text{N}F=50NF = 50 \, \text{N} at a distance of d = 1 \, \text{m}d=1md = 1 \, \text{m} from the support point. Calculate the torque MMM about the support point.

Solution:

  1. The torque is given by:
    M = F \cdot d M=Fd M = F \cdot d

  2. Substituting the values:
    M = 50 \, \text{N} \cdot 1 \, \text{m} = 50 \, \text{N} \cdot \text{m} M=50N1m=50Nm M = 50 \, \text{N} \cdot 1 \, \text{m} = 50 \, \text{N} \cdot \text{m}

So, the torque is M = 50 \, \text{N} \cdot \text{m}M=50NmM = 50 \, \text{N} \cdot \text{m}.

Exercise 3: Equilibrium of a Horizontal Beam

Problem: A horizontal beam of length L = 4 \, \text{m}L=4mL = 4 \, \text{m} is supported by two supports A and B. A load of P = 200 \, \text{N}P=200NP = 200 \, \text{N} is placed at 2 \, \text{m}2m2 \, \text{m} from A. Calculate the reactions at supports A and B.

Solution:

  1. Let the reactions at supports A and B be denoted as R_ARAR_A and R_BRBR_B.

  2. In equilibrium, the sum of the vertical forces must be zero:
    R_A + R_B = P RA+RB=P R_A + R_B = P
    Substituting the values:
    R_A + R_B = 200 \, \text{N} \quad (1) RA+RB=200N(1) R_A + R_B = 200 \, \text{N} \quad (1)

  3. Let's calculate the moment about point A:
    \sum M_A = 0 \implies R_B \cdot L - P \cdot d = 0 MA=0    RBLPd=0 \sum M_A = 0 \implies R_B \cdot L - P \cdot d = 0
    Substituting the values:
    R_B \cdot 4 - 200 \cdot 2 = 0 \implies R_B \cdot 4 - 400 = 0 RB42002=0    RB4400=0 R_B \cdot 4 - 200 \cdot 2 = 0 \implies R_B \cdot 4 - 400 = 0

  4. Solving for R_BRBR_B:

R_B \cdot 4 = 400 \implies R_B = \frac{400}{4} = 100 \, \text{N} RB4=400    RB=4004=100N R_B \cdot 4 = 400 \implies R_B = \frac{400}{4} = 100 \, \text{N}

  1. Now let's substitute the value of R_BRBR_B in equation (1) to find R_ARAR_A:

R_A + 100 = 200 \implies R_A = 200 - 100 = 100 \, \text{N} RA+100=200    RA=200100=100N R_A + 100 = 200 \implies R_A = 200 - 100 = 100 \, \text{N}

So, the reactions in supports A and B are:

  • R_A = 100 \, \text{N}RA=100NR_A = 100 \, \text{N}
  • R_B = 100 \, \text{N}RB=100NR_B = 100 \, \text{N}

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