1001213 - FISICA GENERALE A - Z

Sono previste lezioni frontali ed esempi di applicazione su specifici argomenti. Il bagaglio di conoscenze fornito allo studente lo mette in grado di affrontare i corsi più specifici del piano di studi; particolare importanza viene data al contributo della fisica nelle applicazioni in altri settori contenute nel programma. Al termine del corso, lo studente avrà appreso gli elementi fondamentali del metodo sperimentale, le leggi fisiche di base e avrà avuto modo di conoscere diverse applicazioni delle stesse in campi inerenti al corso di studio. La correttezza formale nell’esposizione degli argomenti trattati viene tenuta in particolare considerazione, nell'ambito delle conoscenze matematiche acquisite dallo studente durante il percorso formativo.

Ci si attende il conseguimento dei seguenti risultati formativi:

• significativo accrescimento della conoscenza e della capacità di comprensione riguardo ai fondamenti della fisica;
• significativo accrescimento delle competenze applicative relative a procedure metodologiche utili anche per la ricerca in campo ingegneristico;
• forte stimolazione della capacità logico-deduttiva.

Lezioni frontali ed esempi numerici su specifici argomenti. L'insegnamento di articola su 9 crediti formativi

CFU di cui 7 relativi a lezioni frontali e due di esercitazioni in classe.

Indispensabili: conoscenze di base di analisi matematica, geometria e trigonometria

La frequenza al corso è di norma obbligatoria (consultare il Regolamento Didattico del Corso di Studi). Durante le lezioni sono raccolte firme di presenza.

FISICA GENERALE

INTRODUZIONE: Grandezze fisiche. Unità di misura. Cifre significative. Errore di misura. Grandezze scalari e grandezze vettoriali. Operazioni con i vettori. Componenti di un vettore e versori.

CINEMATICA DEL PUNTO MATERIALE: Punto materiale. Vettori posizione, spostamento, velocità e accelerazione media e istantanea. Legge oraria.

LA DESCRIZIONE DEL MOTO: Moto con velocità costante. Moto con accelerazione costante. Moto parabolico. Moto circolare uniforme e non uniforme. Moto generale in due e tre dimensioni. Moto armonico. Cinematica dei moti relativi. Leggi di composizione delle velocità e delle accelerazioni.

ELEMENTI DI DINAMICA: Primo principio della dinamica. Sistemi di riferimento inerziali e massa inerziale. Forza agente su un corpo. Secondo principio della dinamica. Statica del punto materiale. Principali tipi di forze. Terzo principio della dinamica. Quantità di moto e teorema di conservazione della quantità di moto. Sistemi isolati e non isolati. Dinamica in riferimenti non inerziali e forze apparenti. Rotazione terrestre.

GRAVITAZIONE UNIVERSALE: Forze di attrazione dei pianeti e leggi di Kepler. Legge di gravitazione universale. Forza di gravità terrestre e peso dei corpi. Satelliti terrestri artificiali. 

FORZE DI ATTRITO: Forze di attrito statico. Moto su una superficie scabra e attrito dinamico. Forze di attrito nei fluidi. Velocità limite. Viscosità.

DINAMICA DEL PUNTO MATERIALE: Problema fondamentale della dinamica del punto materiale. Moto di un punto materiale su un piano inclinato. Moto di un punto materiale soggetto a forze elastiche. Moto di un punto materiale in un fluido viscoso. Dinamica di rotazione. Momento di una forza. Momento angolare.

IMPULSO, LAVORO ED ENERGIA: Impulso di una forza. Teorema dell'impulso. Lavoro svolto da una forza. Energia cinetica e teorema dell’energia cinetica. Forze conservative. Energia potenziale. Esempi di forze conservative e non conservative. Conservazione dell’energia meccanica. Relazione fra forza ed energia potenziale. Potenza e rendimento di una macchina.

DINAMICA DEI SISTEMI DI PUNTI MATERIALI: Forze interne e forze esterne. Equazioni cardinali della dinamica dei sistemi. Teorema del centro di massa. Sistema dei due corpi. 

STATICA DEI SISTEMI DI PUNTI MATERIALI: Condizioni statiche. Statica del corpo rigido. Leve. Esempi di statica del corpo umano (testa, piede, braccio, spalla, tronco).

DINAMICA DELL'URTO: Urti. Forze impulsive e conservazione della quantità di moto. Urti elastici ed inelastici. Urti obliqui elastici.

DINAMICA DEL CORPO RIGIDO: Il sistema del corpo rigido. Moto roto-traslatorio. Momento d'inerzia rispetto ad un asse. Teorema di Huygens-Steiner. Dinamica rotazionale del corpo rigido. Conservazione del momento della quantità di moto rispetto ad un asse. Rotolamento e scivolamento sopra un piano scabro. Giroscopio.

STATICA DEL CORPO RIGIDO: Condizioni di equilibrio per un corpo rigido. Composizioni di forze applicate ad un corpo rigido. Equilibrio di un corpo rigido vincolato. Equilibrio delle forze nelle macchine. Leve. Carrucola.

ELASTICITA': Proprietà elastiche dei corpi. Forze intermolecolari. Deformazioni e forze intermolecolari. Legge di Hooke. Trazione e compressione. Deformazione di volume. Deformazione di scorrimento. Elasticità di torsione. Isteresi. Proprietà di scorrimento e compressibilità.  Classificazione di corpi solidi, liquidi e gassosi.

STATICA DEI FLUIDI: Statica dei fluidi. Pressione nei fluidi. Legge di Stevino. Legge di Pascal. Legge dei vasi comunicanti. Legge di Archimede. Barometro di Torricelli. Pressione atmosferica. 

FENOMENI DI SUPERFICIE: Forze di coesione e adesione.  Fenomeni di superficie. Tensione superficiale. Bolle in sospensione. Menisco, Fenomeni di capillarità. Legge di Borelli-Jurin. Pressione di una bolla o di una membrana. Legge di Laplace. Equilibrio degli alveoli polmonari. Embolia gassosa.

DINAMICA DEI FLUIDI: Impostazione Lagrangiana ed Euleriana del moto dei fluidi. Viscosità dei fluidi. Fluidi reali e ideali. Moto stazionario.  Linee e tubi di flusso. Teorema di continuità. Portata. Legge di Leonardo. Teorema di Bernoulli. Tubo di Venturi. Teorema di Torricelli. Moto laminare di un fluido viscoso. Legge di Stokes. Legge di Poiseuille. Moto turbolento. Moto di un corpo immerso in un fluido. Dinamica della circolazione sanguigna. Flusso sanguigno. Vasi sanguigni. Stenosi ed aneurisma. Pressione nei vasi sanguigni. Misura della pressione arteriosa. Lavoro e potenza cardiaca. Anomalie della viscosità del sangue.

MOTI OSCILLATORI: Moto armonico semplice. Oscillazioni non armoniche. Moto armonico smorzato. Oscillazioni forzate sinusoidali. Risonanza. Oscillazioni forzate in generale.

FENOMENI ONDULATORI: Classificazioni delle onde. Corda vibrante. Equazione dell'onda. Soluzione di d'Alembert. Onde progressive e regressive. Onde sinusoidali. Energia trasportata dall'onda. Principio di sovrapposizione. Interferenza. Onde stazionarie. Onde elastiche. Effetto Doppler. Onde sonore. Caratteri distintivi dei suoni. Sensibilità dell'orecchio umano. Accordi. Intensità sonora. Timbro. Funzionamento dell'orecchio umano. Orecchio esterno, medio e interno.

TEMPERATURA E CALORE: Sistemi a molti corpi. Dilatazione termica di solidi, liquidi e gas. Equilibrio termico. Principio zero della termodinamica. Termometri e scale di temperatura.  Calore specifico, quantità di calore e capacità termica. Processi adiabatici. Misura del calore. Calore latente e cambiamenti di fase. Calore di reazione e potere calorifero. Trasmissione del calore per conduzione, convezione e irraggiamento.

SISTEMI TERMODINAMICI: Equilibrio di un sistema termodinamico. Trasformazioni reversibili e irreversibili. Riscaldamento e raffreddamento di un corpo. Compressione ed espansione di un gas. Rappresentazione grafica delle trasformazioni termodinamiche. Trasformazioni isobare, isocore, isoterme e adiabatiche. Lavoro delle forze di pressione. 

SISTEMI GASSOSI: Stato di un gas. Gas perfetti. Equazione di stato dei gas perfetti. Teoria cinetica dei gas. Pressione e temperatura di un gas. Capacità termiche molecolari dei gas perfetti. Gas reali. Isoterme dei gas reali. Equazione di Van der Waals. Evaporazione e condensazione. Solidificazione, fusione e sublimazione.

PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: Trasformazioni cicliche. Principio di equivalenza. Esperienza di Joule. Equivalente meccanico della caloria. Primo principio della termodinamica. Energia interna. Applicazione del primo principio della termodinamica ai gas perfetti. Relazione di Mayer. Trasformazioni adiabatiche di un gas perfetto. Trasformazioni reversibili nei gas perfetti. Ciclo di Carnot con gas perfetto. Rendimento della macchina di Carnot.

SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: Enunciati di Clausius e Kelvin del secondo principio della termodinamica. Equivalenza degli enunciati. Teorema di Carnot. Macchine frigorifere. Reversibilità ed irreversibilità. Temperatura termodinamica assoluta. Entropia nelle trasformazioni reversibili. Integrale di Clausius nelle trasformazioni irreversibili. Applicazione dell'entropia nelle trasformazioni reversibili. Entropia e lavoro. Applicazioni dell'entropia alle trasformazioni irreversibili. Degradazione dell'energia. Equilibrio termodinamico e potenziali termodinamici.  

CARICA ELETTRICA, CAMPO E POTENZIALE ELETTROSTATICO: La carica elettrica, conduttori e isolanti, la Legge di Coulomb, il campo elettrostatico, linee di forza, il potenziale e l’energia potenziale elettrostatica, la capacità elettrostatica.

CORRENTE ELETTRICA: la corrente elettrica, resistenza e legge di Ohm, modello per la conduzione elettrica, energia e potenza elettrica.

CAMPI MAGNETICI: Moto di una particella carica in un campo magnetico, forza magnetica su un conduttore percorso da corrente, campo magnetico prodotto da una corrente, la legge di Biot-Savart, la legge di Faraday e l’induzione, densità di energia in un campo magnetico.

ONDE ELETTROMAGNETICHE: le onde elettromagnetiche, l’energia trasportata dalle onde elettromagnetiche, lo spettro delle onde elettromagnetiche.

1. Dispense ed altro materiale messo a disposizione dal docente
2. S. Rosati; Fisica generale volume 1, Feltrinelli, 1994
   
3. Serway&Jewett: Fondamenti di Fisica, VI edizione, EdiSES, 2022
   
4. E. Ragozzino: Principi di Fisica, EdiSES, 2006
   
5. D. Sette, A. Alippi, A. Bettucci: Lezioni di Fisica 1 (Meccanica - Temodinamica), II edizione, 2021
   
6. J.S. Walker: Fondamenti di Fisica, Pearson, 2020
7. D. Hallyday, R. Resnick, J.S. Walker, Fondamenti di fisica. Meccanica, Onde, Termodinamica, Elettromagnetismo, Ottica, 2015

Lo studente è comunque libero di scegliere qualsiasi altro testo di Fisica Generale 1 di livello universitario.

L’esame finale consiste in colloquio orale per verificare la conoscenza, la comprensione e l’esposizione degli argomenti trattati durante le lezioni. Si valuterà in particolare:

* la capacità di dimostrare concetti che possono essere espressi matematicamente (dimostrazioni di teoremi e formalizzazione di relazioni esistenti fra grandezze fisiche);

* la capacità critica di esprimere il significato delle leggi della fisica e la loro applicazione nella descrizione di fenomeni fisici;

* la conoscenza degli ordini di grandezza delle principali grandezze fisiche presentate durante il corso;

* la conoscenza delle più rilevanti correlazioni fra grandezze fisiche mediante rappresentazione grafica come discusso durante le lezioni.

L'esame consiste in almeno tre quesiti, distribuiti su tutto il programma svolto, dei quali almeno uno consiste nella dimostrazione completa di teoremi atti ad evidenziare relazioni fra grandezze fisiche, almeno uno richiede un commento sul significato di una legge della fisica, almeno una richiede la conoscenza del valore approssimativo di alcune grandezze fisiche.

La durate dell'esame è di circa un'ora.

Le domande d'esame riguardano TUTTI gli argomenti trattati durante il corso. Contestualmente tutto ciò che non è stato trattato esplicitamente durante le lezioni, anche se indicato nel programma, non sarà oggetto di domande agli esami. Esempi delle domande sono:

Le leggi della dinamica, forze di attrito, forze conservative, lavoro ed energia, onde acustiche, teorema di Bernoulli,  leggi della termodinamica, legge di Laplace, statica del corpo umano, temperatura, campo elettrico, campo magnetico etc.