Paniere meccanica applicata e progettazione - domande aperte

01/05 Descrivere sinteticamente i contenuti delle varie fasi della progettazione di un

sistema meccanico che soddisfi la seguente richiesta da parte del committente:

“Necessito di una macchina che mi consenta di scaricare o caricare velocemente i

container di una nave mercantile.”

Identificazione dei requisiti e delle necessità del committente

 Studio dello stato dell’arte

 Definizione degli obiettivi

 Definizione delle specifiche

 Ideazione e invenzione

 Analisi

 Scelta della soluzione migliore

 Progettazione dettagliata

 Prototipazionee test

 Produzione



RISPOSTA: La progettazione meccanica è un'applicazione di principi scientifici e di

tecnologie per la definizione di un congegno, di un processo o di un sistema,

sufficientemente dettagliata da permettere la sua realizzazione. Un possibile approccio

sistematico è quello di strutturare il problema della progettazione in un processo

costituito da diverse fasi. Il processo non è lineare ma iterativo ovvero, durante lo

svolgimento delle varie fasi della progettazione possono emergere problematiche che

impongono la ridefinizione di alcuni aspetti e quindi la ripetizione di una o più fasi

precedenti. Le varie fasi sono: IDENTIFICAZIONE DEI REQUISITI E DELLE NECESSITA'

DEL COMMITTENTE (il committente fornisce indicazioni riguardo le sue necessità.

Queste indicazioni possono essere vaghe e prive di dettagli). STUDIO DELLO STATO

DELL'ARTE (Una delle fasi più importanti della progettazione. DEFINIZIONE DEGLI

OBIETTIVI (Dopo aver raccolto le richieste del cliente e dopo aver indagato sullo stato

dell'arte si passa ad una definizione più strutturale di quali sono gli obiettivi da

raggiungere) DEFINIZIONE DELLE SPECIFICHE (Si passa alla formulazione di alcune

specifiche sulle performance per definire cosa il sistema deve essere in grado di fare).

IDEAZIONE E INVENZIONEA (si cerca di stilare una varietà di potenzioli soluzioni

costruttive senza preoccuparsi in questa fase della loro funzionalità e senza scendere

eccessivamente nei dettagli. Il lavoro di gruppo in questa fase aiuta.) ANALISI (Si

analizzano la funzionalità e le performance delle soluzioni costruttive proposte nella

fase di ideazione e invenzione.) SELEZIONE (In base ai risultati dell'analisi svolta nella

precedente fase deve essere scelta la soluzione costruttiva migliore.) PROGETTAZIONE

DETTAGLIATA( Si progetta e si disegnano tutti i componenti del sistema, dei vari sotto-

assiemi e dell'assieme complessivo). PROTOTIPAZIONE E TEST(Si costruisce un

prototipo del sistema meccanico progettato su cui effettuare test di varia natura.

Questi test devono tenere conto delle variabili ambientali di esercizio (temperatura,

umidità ecc). PRODUZIONE (Il progetto è pronto per passare alla fase di produzione

che può essere di poche o numerose unità).

01/06 1 – Operatrice 2 – Energetica generatrice a fluido 3 – Operatrice 4 –

Energetica motrice a fluido 5 – Energetica generatrice a fluido 6 – Energetica

motrice a fluido 7 – Energetica motrice a fluido 8 – Operatrice

02/10

Nello studio della meccanica delle macchine, quali sono le differenze tra un

problema di analisi e un problema di sintesi?

RISPOSTA: I problemi tipici studiati dalla meccanica applicata alle macchine

possono essere rincondotti ai due tipi fondamentali: - Problemi di analisi (dato il

meccanismo e l'equazione oraria di uno o più membri, l'analisi dei meccanismi

consiste nel determinare la legge del modo dei punti di ogni membro e le forze e

coppie agenti sui vari membri). - Problemi di sintesi (la sintesi consiste nel creare il

meccanismo che soddisfi le specifiche di progetto ovvero i requisiti di partenza. Le

specifiche di progetto possono consistere nella legge del movimento di uno o più

punti del meccanismo, negli angoli di trasmissione, nella posizione dei perni a

telaio ecc).

02/11

Nello studio della meccanica delle macchine, quali sono le differenze tra uno

studio cinematico e uno studio dinamico?

RISPOSTA: La cinematica è lo studio del movimento senza tener conto delle forze

che lo producono. In genere si assume l'ipotesi dei corpi rigidi e le masse

ininfluenti. E' dato dalla somma di equazioni algebriche non lineari di posizione più

le equazioni algebriche lineari di velocità e accelerazione. La dinamica è lo studio

della trasmissione del movimento sotto l'azione delle forze applicate. E' dato dalla

somma di equazioni differenziali più le equazioni algebriche.

02/12

Descrivere, fornendo esempi, un problema di analisi cinematica inversa e uno di

analisi dinamica diretta.

RISPOSTA: L'analisi cinematica consiste nella determinazione delle posizioni, delle

velocità e delle accelerazioni dei membri del meccanismo che sono supposti rigidi.

Lo studio viene chiamato diretto se a partire dalla conoscenza del moto dei motori

viene calcolato il movimento in uscita della macchina (per esempio il moto di un

dispositivo terminale o di un cedente), nel caso opposto lo studio viene chiamato

inverso. Ad esempio la Cinematica inversa è il processo di determinazione dei parametri di un

oggetto articolato e flessibile, che soddisfino il raggiungimento di una posa desiderata, in base al

posizionamento delle sole estremità.

L'analisi dinamica diretta consiste nella determinazione del moto dei membri del

meccanismo per effetto delle forze agenti, comprese le forze d'inerzia, nota la

distribuzione delle masse e considerando rigidi i membri del meccanismo che si

suppongono dotati di massa. La variabile di riferimento è il tempo. I corpi dotati di

massa sono quindi considerati rigidi, ma si ammette di poter concentrare le

caratteristiche di elasticità in elementi privi di massa (sistema a parametri

concentrati). Dal punto di vista algebrico si tratta di risolvere un sistema di

equazioni differenziali alle derivate ottali, spesso non lineare, nel caso in cui la

macchina ha un solo grado di libertà tale sistema si riduce ad una sola equazione

differenziale. L'analisi ha come obiettivo la determinazione della legge del moto

(spostamenti, velocità e accelerazioni) e dello stato di sollecitazione (tensioni,

deformazioni) dei membro di un meccanismo elastico in movimento in funzione

delle forze esterne a cui lo stesso è soggetto, includento gli effetti delle

deformazioni elastiche sulle forze d'inerzia. Le forze di inerzia sono valutate con

riferimento alle accelerazioni effettive (ovvero senza ulteriori ipotesi

semplificative).

02/13

Dare la definzione di moto in transitorio, moto a regime e moto ciclico.

RISPOSTA: Il moto in transitorio si verifica nella fase di avviamento o di arresto

delle macchine ed è generalmente un moto vario. Il moto a regime può essere

"uniforme o assoluto" se l'atto di moto di tutti i membri si mantiene costante in

qualunque intervallo di tempo, oppure "periodico" se l'atto di moto di tutti i

membri si ripete dopo un intervallo di tempo (periodo). Il moto ciclico si dice ciclico

se, dopo l'avvio da qualsiasi posizione relativa, i membri di una macchina

passando attraverso tutte le posizioni che possono assumere ritornano alla loro

posizione relativa originale. Può essere continuativo se durante ogni successivo

ciclo nn si arresta. Intermittente se durante ogni ciclo si arresta per un intervallo di

tempo finito. Alternativo se ad ogni ciclo si inverte il verso del movimento.

03/01

Descrivere le fasi e le relative approssimazioni presenti nel passaggio da sistema

reale a modello fisico e successivamente da modello fisico a modello

RISPOSTA: Il passaggio da sistema reale a modello fisico comporta una

successione di approssimazioni: 1. Trascurare i piccoli effetti, ovvero eliminare le

interazioni tra componenti o fra il sistema e l'esterno che provochino effetti

trascurabili sul comportamento del sistema. 2. Ammettere che il sistema non

modifichi l'ambiente esterno e non vari quindi allo stesso tempo l'azione

dell'ambiente sul sistema. 3. Sostituire caratteristiche concentrate a caratteristiche

distribuite (equazioni differenziali ordinarie invece che alle derivate parziali). 4.

Ammettere dipendenza linerare tra le variabili (es. molle considerate lineari anche

se in realtà non lo sono). 5. Assumere parametri tempo-invarianti. 6. Trascurare

incertezze e disturbi. Dal modello fisico si passa a quello matematico con una

procedura generale che consiste nei seguenti passaggi: 1. Scegliere le variabili

fisiche (consentono di esprimere gli scambi energetici, tra i componenti e tra

questi e l'esterno, e gli accumuli di energia). 2. Imporre le condizioni di congruenza

per tradurre i vincoli del sistema. 3. Imporre le condizioni di bilancio per il sistema

(o bilancio energetico o delle forze, pressioni ecc). 4. Imporre le equazioni

costitutive (legame tra le variabili della potenza).

04/16

Un vincolo bilaterale è detto olonomo se limita direttamente solo le posizioni del

sistema e quindi non compare nella sua equazione la dipendenza dalle velocità per

esempio è olonomo un vincolo che realizza la condizione di rotolamento senza

strisciamento di un rullo rigido su un piano. “”””In generale il rullo ,se vincolato a

rimanere a contatto con il piano, ha 2 gradi di libertà se, invece, si impone la

rotazione senza strisciamento del rullo sul piano, viene introdotta la

corrispondente equazione di vincolo Vc =0 che lega la velocità di avanzamento del

rullo alla sua velocità angolare””””

04/17

Un vincolo bilaterale è detto anolonomo se limita anche le velocità dei punti oltre

alle posizioni del sistema, perché un vincolo risulti effettivamente anolonomo

occorre che la sua equazione di vincolo (alle derivate prime rispetto al tempo)

risulti non integrabile mentre è anolonomo il vincolo di rotolamento senza

strisciamento di una sfera rigida su un piano. I vincoli anolonomi, imponendo delle

restrizioni solo sulle velocità dei punti del sistema, non impediscono il

raggiungimento di alcuna posizione e non fanno diminuire il numero di g.d.l.

05/01

Spiegare la differenza tra vincolo olonomo ed anolonomo fornendo esempi delle

due tipologie

RISPOSTA: Un vincolo bilaterale è detto olonomo o geometrico o di posizione se

limita direttamente solo le posizioni del sistema e quindi non compare nella sua

equazione la dipendenza dalle velocità, mentre è detto anolonomo o cinematico o

di mobilità se limita anche la velocità dei punti. Un esempio di vincolo olonomo è il

disco su piano: in generale il rullo, se vincolo a rimanere a contatto con il piano, ha

2 gradi di libertà, se invece si impone la rotazione senza strisciamento del rullo sul

piano, viene introdotta la corrispondente equazione di vincolo Vc=0 che lega la

velocità di avanzamento del rullo alla sua velocità angolare. Un esempio di vincolo

anolonomo è la sfera su piano: la sfera vincolata a rimanere a contatto con il piano

ha 5 gradi di libertà. Se si impone il vincolo che la sfera rotoli senza strisciare sul

piano, viene anche in questo caso introdotta la corrispondente equazione di

vincolo Vc=0 che lega le velocità lineari ed angolari della sfera.

05/02

Quali tipologie di vincoli sottraggono g.d.l al sistema e quali invece non ne

sottraggono? Motivare la risposta fornendo alcuni esempi semplici.

RISPOSTA: I vincoli olonomi bilaterali sottraggono al sistema tanti gradi di libertà

quante sono le corrispondenti equazioni di vincolo. Quelli unilaterali invece non

diminuiscono i gradi di libertà del sistema (per esempio un punto vincolato a

muoversi all'interno di una stanza ha ancora tre gradi di libertà). I vincoli

anolonomi imponendo delle restrizioni solo sulle velocità dei punti del sistema, non

impediscono il raggiungimento di alcuna posizione e quindi anch'essi non fanno

diminuire il numero di g.d.l.

05/03

Spiegare la differenza tra vincolo bilaterale ed unilaterale

RISPOSTA: Un vincolo è detto bilaterale se le restrizioni imposte al sistema si

rappresentano tramite sole equazioni (es: un punto vincolato ad una linea, corpo

con un punto fisso) mentre un vincolo è detto unilaterale se compare almeno una

disequazione (es: corpo appoggiato ad un piano o vincolato a stare all'interno di

una sfera).

05/04

Spiegare la differenza tra vincolo interno ed esterno

RISPOSTA: Un vincolo è detto interno se è dovuto alla costituzione del corpo stesso

(es: rigidezza) ed esterno se è dovuto alla presenza di altri corpi.

05/05

Indicare come è possibile descrivere l'orientamento di una terna rispetto ad

un'altra attraverso gli angoli di Eulero e gli angoli areonautici.

RISPOSTA: Per descrivere l'orientamento di una terna {XB, YB, ZB} in OB rispetto

ad una terna {XA,YA;ZA} in OA è spesso comodo fornire direttamente i 3 versori

degli assi coordinati. Questi possono essere raccolti nella matrice di rotazione.

I 9 componenti della matrice di rotazione R sono legati in realtà da 6 relazioni

(modulo unitario e mutua ortogonalità) per cui si preferisce spesso fornire

direttamente 3 parametri indipendenti, come ad esempio gli angoli aeronautici

(baccheggio, rollio, imbardata) o gli angoli di Eulero.

05/06

Dare la definizione di vincolo

RISPOSTA: Chiamiamo vincolo ogni dispositivo che limita le posizioni e le velocità

dei punti del sistema meccanco: pertanto la presenza di un vincolo tra i membri 1

e 2 riduce la mobilità relatva dei membri stessi. I vincoli possono essere espressi

analiticamente mediante relazioni fra le coordinate e le velocità di punti del

sistema. Un vincolo è detto bilaterale se le restrizioni imposte al sistema si

rappresentano tramite sole equazioni. Unilaterale se compare almeno una

disequazione. Interno se è dovuto alla costituzione del corpo stesso. Esterno se è

dovuto alla presenza di altri corpi.

06/12

Indicare le diverse tipologie di contatto possibili

RISPOSTA: In relazione alla geometria di contatto si hanno: contatti puntiforme

(ese. cuscinetto a sfere o ingranaggio sghembo elicoidale). Contatti lineari

(esempio cuscinetti a rulli o camma- piattello) e contatti superficiali(es. pattino-

guida) o di combaciamento (es. vite - madrevite).

06/13

Fornire alcuni esempi di coppie cinematiche inferiori e superiori

RISPOSTA: Si definiscono coppie elementari o inferiori quelle coppie rigide che

sono realizzabili tramite contatti di superficie. Le superfici coniugate sono rigide,

identiche e combacianti e sono necessariamente superfici cilindriche, di

rivoluzione o elicoidali. Coppie cinematiche inferiori R (rotoidale), P (prismatica), S

(elicoidale), C (cilindrica), F (piana), G (sferica). Si definiscono superiori le coppie

cinematiche che non sono inferiori. Esse non sono in alcun modo realizzabili

tramite contatti di superficie ma esclusivamente tramite contatti lineari o

puntiformi. Tutte le coppie tra membri non rigidi sono superiori (per esempio:

accoppiamento puleggia-flessibile, fluido-condotti di turbina). Gs (sferica guidata),

Ca (camma piana), Gs-Ca (sfera cilindro guidati), G-C (sfera cilindro), F-C (piano

cilindro), G-F (sfera piano).

06/14

Quali sono le coppie cinematiche definite elementari? Illustrarne il funzionamento

e fornire esempi riguardanti la loro applicazione.

RISPOSTA: Le coppie cinematiche elementari sono la Coppia Prismatica (Es:

accoppiamento albero-mozzo attraverso un profilo scanalato dove l'unico grado di

libertà residuo è lo scorrimento assiale dell'albero rispetto al mozzo o viceversa).

La Coppia Rotoidale (Es: Cerniera realizzata tramite cuscinetto radente dove i

cuscinetti radenti sono solitamente costituiti da bronzine. La bronzina, di materiale

tenero, viene accoppiata con un perno di un materiale più duro), o un altro

esempio di coppia emaca rotoidale è la cerniera realizzata tramite cuscinetto

volvente, sono costituiti da due anelli(interno ed esterno) e da elementi di tipo

volventi(sfere, rulli, rulli conici e rullini) hanno dei valori di attrito inferiori a quelli

dei cuscinetti radenti. La Coppia Elicoidale come l’accoppiamento tra vite e

madrevite, nel quale la vite è vincolata in modo tale da poter solamente ruotare

intorno al suo asse. La madrevite è vincolata e può solo traslare lungo il suo asse.

Un esempio pratico è il martinetto meccanico a vite.

06/15

Spiegare la differenza tra accoppiamento di forma e di forza.

Dal punto divista realizzativo le coppie cinematiche si distinguono: tra gli

accoppiamenti di forma che sono in forma chiusa e gli accoppiamenti di forza che

sono in forma aperta. Tutte le coppie possono essere realizzate in entrambi i modi :

gli accoppiamenti di forza sono monolaterali ed il contatto è mantenuto da

opportuni forze e momenti.

06/16

Dare la definizione di coppia cinematica

RISPOSTA: Si definisce coppia il sistema formato da 2 membri contigui collegati. Se

tra di essi esiste un movimento relativo (cioè il sistema ha almeno 1 g.d.l) si ha

una coppia cinematica. Le coppie sono caratterizzate dallo spostamento relativo

dei membri a contatto, che dipende dalla forma delle superfici che sono in contatto

durante

il moto: tali superfici sono dette coniugate. Uno stesso spostamento relativo fra i

membri può essere ottenuto con differenti coppie di superfici conugate: l'effettiva

forma costruttiva ha influenza sulla trasmissione delle forze, l'usura, l'ingombro

ecc. Dal punto di vista cinematico si distinguono contatti di strisciamento, di

rotolamento e contatti d'urto. Dal punto di vista realizzativo invece accoppiamenti

di forma (in forma chiusa) e di forza (in forma aperta).

07/06

Spiegare il concetto di meccanismo associato

RISPOSTA: Un meccanismo A composto da due membri mobili a contatto

attraverso una coppia di tipo camma piana ha la stessa mobilità di un meccanismo

B in cui tali membri sono collegati a