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Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa 1 FISICA APPLICATA Dott. Marta Ruspa [email protected] 0321/660669 011/6707310 Lezione I

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FISICA APPLICATA

Dott. Marta Ruspa [email protected] 0321/660669 011/6707310

Lezione I

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CORSO INTEGRATO DI SCIENZE FISICHE e STATISTICHE

Discipline: FISICA APPLICATA STATISTICA INFORMATICA

Lezione I

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Le discipline di FISICA, STATISTICA e INFORMATICA possono essere sostenute separatamente negli appelli del 2013, ma entro settembre va completato il corso integrato

Chi non completasse il corso integrato entro settembre perdera’ la/e materia/e acquisita/e

Lezione I

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MATERIALE DIDATTICO

 Testo consigliato: “Elementi di Fisica” V. Monaco, R. Sacchi, A. Solano Laurea Infermieristica MC Graw Hill Editore

  Altri testi indicati sul sito WWW descritto qui sotto

  Pagina WWW aggiornata (con tutte le lezioni) http://www.to.infn.it/~ruspa/didattica raggiungibile anche come segue

Lezione I

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ESERCITAZIONI

Lezione I

Il corso sara’ corredato da alcune ore di esercitazioni il cui calendario sara’ reso noto a breve. Durante le esercitazioni verra’ anche proposta una simulazione della prova d’esame.

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RIPASSO DI

MATEMATICA

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•  Numeri relativi ed operazioni con i medesimi •  Frazioni •  Potenze e relative proprieta’ •  Monomi, polinomi, espressioni algebriche •  Potenze di dieci e notazione scientifica •  Soluzione di equazioni di primo grado •  Proporzioni •  Percentuali •  Richiami di geometria piana e solida •  Angoli •  Conversioni tra unità di misura

MATEMATICA DI BASE CHE OCCORRE CONOSCERE

Lezione I

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NUMERI RELATIVI

-3 1/2 0.4

102

2 4a2b

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Numeri relativi: numeri preceduti dal segno + o dal segno –

a = - 5,2 modulo o valore assoluto (si indica con |a|) segno

Due numeri relativi sono •  concordi se hanno lo stesso segno es: (–3 ; –7,15 ; –6001); •  discordi se hanno segno contrario es: (+73,6 ; –12,2); •  opposti se hanno stesso modulo e segno contrario es: (–2,13 ; +2,13) •  reciproci (inversi) se hanno lo stesso segno e modulo inverso

es: (–4/5 ; –5/4)

ALGEBRA DEI NUMERI RELATIVI

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•  Addizione (somma)

•  Sottrazione (differenza)

Addendi concordi:somma dei moduli stesso segno

Addendi discordi:differenza dei moduli segno dell’addendo di modulo maggiore

Si ottiene sommando al primo numero (minuendo) l’opposto del secondo (sottraendo)

LE 4 OPERAZIONI

Nota: per lo scioglimento delle parentesi in una espressione

•  si elimina la parentesi se preceduta dal segno +

•  si elimina la parentesi cambiando segno a tutti i fattori al suo interno se preceduta dal segno -

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•  Addizione (somma)

•  Sottrazione (differenza)

•  Moltiplicazione (prodotto)

•  Divisione (quoziente o rapporto)

Addendi concordi:somma dei moduli stesso segno

Addendi discordi:differenza dei moduli segno dell’addendo di modulo maggiore

Si ottiene sommando al primo numero (minuendo) l’opposto del secondo (sottraendo)

Il modulo è il prodotto dei moduli

Il segno è positivo -> numero pari di segni -

negativo -> numero dispari di segni -

Si ottiene moltiplicando il dividendo per il reciproco del divisore

LE 4 OPERAZIONI

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Una frazione è un rapporto tra due numeri a e b

Frazioni equivalenti

numeratore

denominatore

Dividendo o moltiplicando numeratore e denominatore per un fattore comune, la frazione non cambia.

Es: sono frazioni equivalenti

Riduzione ai minimi termini Esprimere una frazione in una forma equivalente con valori minimi del numeratore e denominatore (divisione per tutti i fattori comuni)

3

FRAZIONI

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Somma/differenza di frazioni: Es:

(12 = minimo comune multiplo di 6 e 4)

2

1

Moltiplicazione di due frazioni

Es: 2

Es:

Divisione di due frazioni:

2

Inverso di una frazione:

Es:

OPERAZIONI CON LE FRAZIONI

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Esempi di operazioni con le frazioni

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a = base, b = esponente

•  una potenza di esponente pari e`sempre positiva;

•  una potenza di esponente dispari e` negativa se la base e negativa.

ELEVAMENTO A POTENZA

a-b = 1/ab potenza a esponente negativo

a0 = 1 potenza a esponente nullo

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• Somma di potenze di ugual base e uguale esponente an + an (nessuna particolare proprietà, sono pero’ monomi simili)

a3 + a2 = (a·a·a) + (a·a)

• Prodotto di potenze di ugual base e diverso esponente an·am = an+m a3·a2 = (a·a·a)·(a·a) = a·a·a·a·a = a5

• Rapporto di potenze di ugual base e diverso esponente an/am = an-m

a3/a2 = (a·a·a)/(a·a) = a = a1

• Potenza di potenza (an)m = an*m (a3)2 = (a·a·a)·(a·a·a) = a·a·a a·a·a·a = a6

PROPRIETA’ DELLE POTENZE

• Somma di potenze di ugual base e diverso esponente an + am (nessuna particolare proprietà)

a2 + a2 = 2a2

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Esempi sulle proprieta’ delle potenze

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m√an = an/m

Esempio: 2√a6 = a6/2 = √(a*a*a)*(a*a*a) = √(a*a*a)2 = a*a*a = a3

E` l’operazione inversa dell’elevamento a potenza:

è quel numero la cui potenza n-esima è uguale ad a :

•  la radice di indice pari di un numero negativo non esiste

•  la radice di indice dispari di un numero esiste ed è unica

•  esistono sempre due radici di indice pari di un numero positivo

Nota: una potenza con esponente frazionario è uguale ad un radicale che ha per indice il denominatore della frazione

a = radicando, n = indice

Infatti an/m·an/m·an/m··· (m volte) = amn/m= an

RADICE

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Esempi sui radicali

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Monomio: una qualunque espressione algebrica che si presenta sotto forma di prodotto di fattori numerici e letterali

Coefficiente Parte letterale

Grado nella lettera b

identici se hanno stesso coefficiente e stessa parte letterale

simili se hanno la stessa parte letterale e diverso coefficiente

Polinomio: è una somma algebrica di più monomi non simili

binomio trinomio

MONOMI E POLINOMI

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Le operazioni algebriche con monomi si eseguono seguendo le regole viste in precedenza, e ricordando che solo monomi simili possono essere sommati algebricamente

Sommare due o piu’ grandezze fisiche (grandezza fisica = numero + unita’ di misura) equivale a sommare due o piu’ monomi. Solo grandezze fisiche omogenee (ovvero monomi simili) si possono sommare!

120 km/h + 60 km/h = 180 km/h

120 km/h + 60 kg NON SI PUO’ ESEGUIRE LA SOMMA!

Espressioni algebriche: operazioni con monomi

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Esempi di operazioni con monomi

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Il prodotto di due polinomi si ottiene come somma algebrica dei prodotti di ciascun termine del primo polinomio per tutti i termini del secondo.

Espressioni algebriche: operazioni con polinomi

Il quoziente di un polinomio per un monomio è uguale alla somma algebrica dei quozienti di ciascun termine del polinomio per il monomio divisore.

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Esempi di operazioni con polinomi

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POTENZE DI 10

Che cosa vuol dire 10n?

10000…..00000 n zeri

Che cosa vuol dire 10-n?

1/10000…..00000 n zeri

Valgono le proprieta’ delle potenze

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105 (si legge “dieci alla quinta”) è uguale a 1 moltiplicato per 105 1*100000 = 100000

è uguale a 1.0 spostando la virgola a destra di 5 posti

10-5 (si legge “dieci alla meno 5”) è uguale a 1 diviso per 105 1/100000 = 0.00001

è uguale a 1.0 spostando la virgola a sinistra di 5 posti

100 = 1 101 = 10 102 = 10·10 = 100 103 = 10·10·10 =1000 ……. 106 = 1000000 …….

10-1 = 1/101 = 0,1 10-2 = 1/102 = 0,01 10-3 = 1/103 = 0,001 ……. 10-6 = 0,000001 …….

POTENZE DI 10

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Consideriamo un numero, ad es. 12,43 Questo numero lo posso scrivere in varie forme equivalenti:

Posso spostare la virgola di una posizione verso sinistra moltiplicando il numero risultante per 101

Virgola spostata di due posizioni verso sinistra numero risultante moltiplicato per 102

Virgola spostata di 3 posizioni a sinistra

Fattore moltiplicativo: 103

Virgola spostata di una posizione verso destra numero risultante moltiplicato per 101

Virgola spostata di 3 posizioni a destra

Fattore moltiplicativo: 10-3

E’ possibile esprimere qualsiasi numero come il prodotto di un fattore per una potenza di dieci. Il fattore numerico è ottenuto spostando la virgola del numero iniziale di un numero di posizioni pari al valore assoluto dell’esponente, verso sinistra se l’esponente è positivo, verso destra se negativo.

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Notazione scientifica (forma esponenziale) Si usa nei calcoli scientifici per esprimere numeri molto grandi e molto piccoli

5,213·10-7

parte numerica numero compreso tra 1 e 9,999..

potenza di 10 l’esponente rappresenta il numero di posti decimali di cui occorre spostare la virgola prodotto

si usano anche i simboli * e ×

NOTAZIONE SCIENTIFICA

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Esempi: 800 = 8·102

4765 = 4,765·103

l = 345000 m = 3,45·100000 m = 3,45·105 m

l = 0,00038 m = 3,8·0,0001 m = 3,8·10-4 m

Massa della Terra = 5.980.000.000.000.000.000.000.000 kg = 5,98·1024 kg

Massa di un elettrone = 0,0000000000000000000000000000009109 kg = 9,11·10-31 kg

NOTAZIONE SCIENTIFICA

Lezione I

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Esempi: convertire da notazione numerica scientifica a notazione numerica ordinaria (o viceversa)

Le proprietà delle potenze permettono di eseguire velocemente operazioni complicate, con risultati esatti

o con risultati approssimati (cioè non lontani dal risultato vero).

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0.02 × 300060 ×0.4

[ R = 2.5]

0.02 × 400000.005

×0.13 [ R = 20x103]

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Sommando (sottraendo) una stessa quantità a entrambi i membri Moltiplicando (dividendo) per una stessa quantità entrambi i membri

Equazione = relazione di uguaglianza tra due membri verificata per particolari valori di una variabile incognita

ax + b = 0 x = -b/a

il risultato non cambia

Es 1:

Es 2:

Le equazioni si risolvono utilizzando le due suddette proprieta’

EQUAZIONI di Io GRADO

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INVERSIONE DI UNA FORMULA (molto frequente in fisica)

Ricavare una grandezza da una formula non e’ altro che risolvere un’equazione

E = ½ mv2

Ricavare m significa risolvere l’equazione per m, come se m fosse l’incognita x

½ mv2 = E

m = 2E/v2 = 1/v2 2E

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Q =πr 4Δp8ηl

Esempi di inversione di formule

Q =

π =

r4 =

Δp =

η =

l =

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Prodotto dei medi = prodotto degli estremi Nulla di magico: sono solo normali equazioni! a:b = c:d ad = bc

a/b = c/d a = bc/d c = ad/b b = ad/c d = bc/a

Es 1: Conversione tra unità di misura (Lire ↔ euro):

PROPORZIONI

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. Rus

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Q =πr 4Δp8ηl

Esempi di inversione di formule

Q =

π =

r4 =

Δp =

η =

l =

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Mediante perfusione intravenosa vengono somministrate 50 gocce al min di soluzione fisiologica (20 gocce = 1ml). Dopo 30 min, quanti ml di soluzione sono stati somministrati ?

Esempi di problemi risolvibili con proporzioni

Si deve somministrare un farmaco alla dose di 0.5 ml per kilo (ml/kg) ad un paziente di massa pari ad 80 kg in tre dosi giornaliere. Quale volume di farmaco va somministrato in ogni dose?

R. 13 ml[ ]Dopo 2 h dall’inizio di un’infusione, in una flebo da 500 ml di soluzione fisiologica sono contenuti 400 ml della stessa. A quanti ml/m e’ stata impostata la flebo? Quanto manca al termine dell’infusione dell’intero flacone?

R. 0.83 ml/m, 8 h[ ]Sapendo che 1 cal corrisponde a 4,186 J, se il potere calorico di una merendina che pesa 30 g e’ 157x103 calorie, a quanti J corrispondono 100 g della merendina?

R. 2.1x106 J[ ]

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PERCENTUALI

% = 1/100 = 10-2 = 0.01 n% = n/100 = n ×10-2 = n × 0.01

20% di 85 = 20/100 × 85 = 17

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Esempi: •  20% di 1000 grammi = (0.20 · 1000) grammi = 200 grammi

•  Aumentare una quantità Q del 5%:

Q ⇒ Q + 5%Q = Q + 0,05 · Q = Q · (1 + 0,05) = 1,05· Q •  Diminuire una quantità Q del 5%:

Q ⇒ Q - 5%Q = Q - 0,05 · Q = Q · (1 - 0,05) = 0,95 · Q •  Soluzione di una sostanza in acqua al 5% =

in volume: ad es. in 1 litro di soluzione, 0.950 l d’acqua e 0.050 l di soluto

in peso: ad es. in 1 kg di soluzione, 950 g d’acqua e 50 g di soluto

Attenzione: la percentuale e’ sempre relativa alla grandezza a cui si riferisce!

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Esempi di calcoli con percentuali

3% di 150

20% di 0.03

14% di 4/3

Aumentare 800 del 30%

Diminuire 3000 del 15%

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Esempi di problemi risolvibili con percentuali

Il prezzo di un capo di abbigliamento, che l’anno scorso costava 150 euro, e’ aumentato del 15%. Si calcoli il nuovo prezzo.

La pressione di un paziente iperteso, di 170 mmHg ad una prima misurazione, aumenta del 20%. Quanto risulta la seconda misurazione, effettuata dopo l’aumento?

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cerchio sfera

quadrato cubo

cilindro parallelepipedo

c=2πr r

A=πr2 r S=4πr2 V=(4/3)πr3

P=4l A=l2 S=6l2 V=l3 l l

S S

V = S·l = πr2·l V = S·l l l

SUPERFICI E VOLUMI

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R

s α

Unità di misura

es: 32° 27' 38" 1° = 60' 1' = 60"

gradi, minuti, secondi

α (rad) = lunghezza arco s

R angolo giro 360°

α (rad) = lunghezza circonferenza/R = 2πR/R= 2π rad angolo piatto 180° ≡ π rad α (rad) = 2π rad/2 = α (rad) = π rad angolo retto 90° ≡ π/2 rad

ANGOLI

Per convertire tra gradi e radianti si può utilizzare la una proporzione

x rad : y gradi = π : 180°

Sulla calcolatrice: RAD DEG GRAD!

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Conversione gradi-radianti

Un angolo misura 47 gradi, quanti radianti?

R. 0.26π rad[ ]

Un angolo misura 2/3π rad, quanti gradi?

R. 120o[ ]

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O 1

1

-1

-1

θ cos θ

sen θ

dal teorema di Pitagora: sen2θ+cos2θ=1

y

x

-1

0

1

1/2

0

sen θ

∞ 0 270o = 3π/2

0 1 0o

0 -1 180o = π

∞ 0 90o = π/2

1/2 60o = π/3

1 45o = π/4

30o = π/6

tg θ cos θ θ

Per definizione:

B

A

Le funzioni trigonometriche sono funzioni del solo angolo θ: se scegliamo R≠1

cosθ =O B O A

sinθ =O C O A

C

TRIGONOMETRIA DI BASE

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REMINESCENZE SULLE EQUIVALENZE

km hm dam m dm cm mm

kg hg dag g dg cg mg

km2 hm2 dam2 m2 dm2 cm2 mm2

km3 hm3 dam3 m3 dm3 cm3 mm3

lunghezza

superficie

volume

massa

x10

:10

x100

x1000

x10

:100

:1000

:10

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380 g = ? hg

108 hg = ? mg

10-7cg = hg

0.7 x 102dag = ?g

13000 kg = ? dg

[R = 3.8 hg]

[R = 1013mg]

[R = 10-11hg]

[R = 0.07 hg]

[R = 700 g]

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21 m = ? hm

1024 cm = ? km

1024 cm2 = ? km2

10-6mm2 = ? dam2

0.14 x 10-2m3 = ?cm3

27 dm3 = ? km3

[R = 0.21 hm]

[R = 1019 km]

[R = 1014 km2]

[R = 10-14 dam2]

[R = 1400 cm3 ]

[R = 27 x 10-12 km3]

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GRANDEZZE FISICHE

e

MISURA DI GRANDEZZE FISICHE

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OSSERVAZIONI SPERIMENTALI

LEGGI FISICHE

IPOTESI

MISURA DI GRANDEZZE FISICHE

VERIFICA

Relazioni matematiche tra grandezze fisiche

Studio di un fenomeno

LA FISICA COME SCIENZA SPERIMENTALE

Lezione I

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CHE COSA E’ UNA GRANDEZZA FISICA?

TUTTO CIO’ CHE E’ MISURABILE

L’OPERAZIONE DI MISURA DEFINISCE OPERATIVAMENTE

UNA GRANDEZZA FISICA

Lezione I

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Espressione di una grandezza fisica:

Numero + unità di misura Rapporto tra la grandezza e il campione di riferimento

Misura diretta:

Misura indiretta:

Confronto diretto con il campione (es. misura di lunghezza con un metro graduato)

Misura di una grandezza legata a quella da misurare attraverso una relazione nota (es. misura di tempo con una clessidra)

GRANDEZZE FISICHE

CHE COSA SIGNIFICA MISURARE? Confrontare la grandezza fisica in questione con una grandezza campione di riferimento

Lezione I

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Tutte le grandezze fisiche possono essere espresse in funzione di un insieme limitato di grandezze fondamentali

Un sistema di unità di misura definisce le grandezze fisiche fondamentali e i corrispondenti campioni unitari (unità di misura). Le unità di misura per le grandezze fisiche derivate si ricavano corrispondentemente

Grandezze fisiche fondamentali

Lunghezza [L] Tempo [t] Massa [M] Intensità di corrente [i] Temperatura [T]

GRANDEZZE FISICHE FONDAMENTALI

Lezione I

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Grandezze fisiche fondamentali

Lunghezza [L] Tempo [t] Massa [M] Intensità di corrente [i] Temperatura [T]

SISTEMA INTERNAZIONALE (S.I.)

Grandezza fisica Unità di misura

Lunghezza [L] metro (m) Tempo [t] secondo (s) Massa [M] chilogrammo (kg) Intensità di corrente [i] ampere (A) Temperatura [T] grado Kelvin (K)

Lezione I

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Le rimanenti grandezze fisiche sono derivate a partire dalle grandezze fondamentali mediante relazioni analitiche (molte delle quali studieremo in questo corso) Alcuni esempi:

Superficie (lunghezza)2 [L]2 m2 Volume (lunghezza)3 [L]3 m3 Velocità (lunghezza/tempo) [L][t]-1 m·s-1

Accelerazione (velocità/tempo) [L][t]-2 m·s-2 Forza (massa*accelerazione) [M][L][t]-2 kg·m·s-2 Densità (massa/volume) [M][L]-3 kg·m-3 Pressione (forza/superficie) [M][L]-1[t]-2 kg·m-2·s-2 ...........

GRANDEZZE FISICHE DERIVATE

Lezione I

Tutte le formule che studieremo nel corso andranno applicate dopo aver espresso le varie grandezze fisiche nel S.I.

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Esempi: l = 345000 m = 3,45·100000 m = 3,45·105 m

l = 0,00038 m = 3,8·0,0001 m = 3,8·10-4 m

Massa della Terra = 5.980.000.000.000.000.000.000.000 kg = 5,98·1024 kg

Massa di un elettrone = 0,0000000000000000000000000000009109 kg = 9,11·10-31 kg

MICROSCOPICO e MACROSCOPICO

Grandezze fisiche molto grandi o molto piccole si possono esprimere facendo uso della notazione scientifica

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Grandezze fisiche molto grandi o molto piccole si possono esprimere facendo uso della notazione scientifica

In alternativa o a complemento della notazione scientifica si utilizzano multipli e sottomultipli

Le due soluzioni proposte sono legate perche’ i prefissi che identificano multipli e sottomultipli corrispondono a varie potenze di dieci

MICROSCOPICO e MACROSCOPICO

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Prefisso Simbolo Fattore di moltiplicazione

tera T 1012 giga G 109 mega M 106 kilo k 103 etto h 102 deca da 101

Prefisso Simbolo Fattore di moltiplicazione

deci d 10-1 centi c 10-2 milli m 10-3 micro µ 10-6 nano n 10-9 pico p 10-12

1 km = 103 m 1 Mm = 106 m 1 Gm = 109 m

1 dm = 10-1 m 1 cm = 10-2 m 1 mm = 10-3 m

Es: 1 m 1 µm = 10-6 m 1 nm = 10-9 m 1 pm = 10-12m

(1 mm = 1/1000 m = 1/103 m = 10-3 m)

MULTIPLI e SOTTOMULTIPLI

Lezione I

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Esercizi

103 l = 1 kl 103 m = 1 km 103 byte = 1 kbyte 1 µ = 10-6 m 57 Tbyte = 57 x 1012 byte 21 Mbyte = 21 x 106 byte 3 kg = 3 x 103 g 14 dm = 10-7 Mm 103 cl = 10 l 0.007 kPa = 7 Pa 220 mV = 0.22 V 2000 ohm = 2 kohm 157 kcal = 157000 cal 0.11 mA = 0.11 x 10-6 kA

Lezione I

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Esercizi

98 mg/dl = 98 x 10-2 kg/m3

1.3 g/cm3 = 1.3 x 103 kg/m3

Il referto di un’esame del sangue riporta un V.E.S. di 72 mm/h. Si esprima la V.E.S. nel S.I. [R. 2 x 10-6 m/s]

Una cellula sferica ha il diametro di 20 µ. Qual e’ il volume della cellula in cm3? [R. 4 x 10-9 cm3]

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1 anno = 365 giorni 1 giorno = 24 ore 1 ora = 60 minuti 1 minuto = 60 secondi

1 s = ? giorni

1 min = ? anni

[R = 1,16x10-5 giorni]

[R = 1,9x10-6 giorni]

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21 m/s = ? km/h

1024 cm/min = ? km/s

10-6mm/min = ? m/s

0.14 km/h = ?m/s

[R = 75,6 km/h]

[R = 17x1016 km/s]

[R = 17x10-12 m/s]

[R = 3.9x10-2 m/s]

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Alla stessa grandezza possono corrispondere unita’ di misura differenti perche’ appartenenti a diversi sistemi di unita’ di misura (per esempio il volume si puo’ misurare in litri e in m3)

Esistono unita’ di misura pratiche, utilizzate specificamente in certi ambiti (medicina, meteorologia, …) Per esempio in ambito medico e’ d’uso esprimere le pressioni in mmHg e non nell unita’ di misura del S.I. (che come vedremo si chiama Pascal)

Tutte le formule che studieremo nel corso andranno applicate dopo aver espresso le varie grandezze fisiche nel S.I. , utilizzando le apposite leggi di conversione

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FATTORI DI CONVERSIONE

1 l = 1 dm3

1 kcal = 4186 J

1 atm = 105 Pa = 760 mmHg

1 eV = 1.6 x 10-19 J

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Esercizi

Lezione I

1000 kg/m3 = ? g/cm3

2000 kcal = ? J

1 J = ? kcal?

1000 mmHg = ? Pa = ? atm

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OSSERVAZIONI SPERIMENTALI

LEGGI FISICHE

IPOTESI

MISURA DI GRANDEZZE FISICHE

VERIFICA

Relazioni matematiche tra grandezze fisiche

Studio di un fenomeno

In fisica si usa un linguaggio matematico !!!

LA FISICA COME SCIENZA SPERIMENTALE

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CHE COSA E’ UNA LEGGE FISICA?

Relazione matematica tra grandezze fisiche, ovvero uguaglianze tra espressioni algebriche letterali in cui ogni grandezza e’ identificata da un proprio simbolo

1.  Tutti i termini devono avere le stesse dimensioni fisiche (monomi simili!)

2.  Tutte le grandezze vanno espresse in un sistema di unita’ di misura coerente

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p + ½ dv2 + dgh = cost

p e’ una pressione dv2 e dgh DEVONO avere le DIMENSIONE FISICHE di una pressione

p, dv2 e dgh DEVONO essere espressi in una stessa unita’ di misura (es. Pa)

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

71

modulo verso

punto di applicazione

v →

direzione

Grandezze scalari: caratterizzate da un numero

Grandezze vettoriali:

Es: tempo, temperatura, massa

caratterizzate da un modulo, una direzione e un verso Es: spostamento, velocità, accelerazione

modulo del vettore v : v = | v |

Es: |v| = 100 m/s

Vettori uguali Vettori opposti

GRANDEZZE SCALARI E VETTORIALI

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

72

v1 →

v2 →

v3 = v1 + v2 Somma di vettori

SOMMA e DIFFERENZA DI VETTORI (metodo grafico)

Regola del parallelogramma v3 →

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

73

v1 →

v2 →

v3 = v1 + v2 Somma di vettori

SOMMA e DIFFERENZA DI VETTORI (metodo grafico)

Regola del parallelogramma

Differenza di vettori

v4 = v1 - v2

v4 →

→ v4

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

74

x

vx = |v| cos α vy = |v| sen α vx

2 + vy2 =

= v2 cos2α + v2 sen2α = = v2 (cos2α+sen2α) = v2

v →

y

α

vy

vx

Nel piano cartesiano bidimensionale (x,y) un vettore può essere scomposto nelle sue due componenti ortogonali vx e vy

SCOMPOSIZIONE DI UN VETTORE

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

75

b

a

θ

b'

a•b = |a||b|cos θ = |a|b'

b' = |b|cos θ : componente di b lungo a

θ = 0o a ⋅ b = ab cos φ = ab → →

b → a

θ = 90° a ⋅ b = ab cos θ = 0 → → b

→ a →

θ = 180° a ⋅ b = ab cos θ = – ab → →

a → b

Es.:

PRODOTTO SCALARE

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

76

θ

a

b c

b"

c = a ∧ b

Modulo di c : |c| = |a||b|sen θ = |a|b”

b’’: componente di b ortogonale ad a

b” Direzione di c: ortogonale ad a e b

Verso di c: verso di avanzamento di una vite che ruota sovrapponendo a su b

θ

a

b b''

PRODOTTO VETTORIALE

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

77

MECCANICA   Cinematica: moto dei corpi

  Dinamica: cause del moto

  Statica: equilibrio dei corpi

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

78

MASSA e DENSITA’

Corpo: qualsiasi porzione di materia

Massa: quantita’ di materia di un corpo. >> Simbolo: m >> Unita’ di misura nel S.I.: [kg]

Densita’: rapporto tra la massa e il volume >> Simbolo: d

d = m/V

>> Unita’ di misura nel S.I.: [kg/m3]

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

79

x y

z

s

sx

sy

sz

Posizione: definita da un vettore s

Traiettoria: definita dall’insieme dei vettori posizione s1, s2, s3, ... agli istanti t1, t2, t3,...

Vettore spostamento:

x

y

s1

s2

Δs

Δs = s2 – s1

CINEMATICA DEL PUNTO

Legge oraria: s = s (t)

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

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pa

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Velocità media:

x

y

s1

s2

v

Unità di misura nel S.I.:

VELOCITA’ MEDIA

v = s − s 0t − t0

=Δ s Δt

Sovente si utilizza la seguente formula equivalente alla precedente

dove s0 e t0 sono lo spazio iniziale e il tempo iniziale e s e t indicano uno spazio generico e un tempo generico

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

81

Accelerazione media:

Unità di misura nel S.I.:

ACCELERAZIONE MEDIA

a m = v − v 0t − t0

=Δ v Δt

Analogamente a prima

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

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a , M

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pa

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Accelerazione media:

Unità di misura nel S.I.:

ACCELERAZIONE MEDIA

at = accelerazione tangenziale (variazione modulo di v )

ac = accelerazione centripeta (variazione direzione di v )

a = at + ac at

ac a

y

x

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

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a , M

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pa

83

v = costante

a = 0 v = cost

a

t v

t

MOTO RETTILINEO UNIFORME

( x-xo)/t = cost x = xo + v·t x

t

xo

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Fi

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a A

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ata,

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a , M

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a = costante

a = cost = v - v0

t→ v = vo + a ⋅ t

→ x = xo + vot +12at 2

v

t

a

t

x

t

vo

xo

MOTO RETTILINEO UNIFORMEMENTE ACCELERATO

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a A

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SIAMO TUTTI UNIFORMEMENTE ACCELERATI!

Tutti i corpi sulla Terra sono sottoposti ad un’accelerazione costante verso il basso (centro della Terra), che origina dall’attrazione gravitazionale tra masse di cui parleremo in seguito

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Fi

sica

a A

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ata,

Are

a Te

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a , M

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h

a = gv = g ⋅ t

x − x0 = h =12g ⋅ t 2

Esempio: h = 10 m

Accelerazione di gravità

Vo = 0

CADUTA IN UN GRAVE IN ASSENZA DI ATTRITO

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Fi

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a A

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ata,

Are

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a , M

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87

Esercizio Quanto tempo impiega un corpo in caduta libera a raggiungere il suolo a partire dal 17esimo piano di un grattacielo? (si considerino 3 m di altezza per ogni piano)

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Fi

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a A

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ata,

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88

ac

v

v θ

v

r

MOTO CIRCOLARE UNIFORME Moto a velocita’ costante, traiettoria circolare nell’unita’ di tempo vengono descritti angoli e archi di circonferenza

arco = angolo x raggio s = θ × r

vel. angolare = angolo/tempo

vel. periferica = arco/tempo

v =st

=θrt

=ωr

frequenza = n. giri/tempo [s-1 = Hz]

[m/s]

periodo = 1/frequenza [s]

no accelerazione tangenziale at=0

v cambia in direzione acc. centripeta :

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Fi

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a A

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ata,

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89

a) frequenza:

b) periodo: Tempo per compiere 1 giro completo

c) velocità angolare:

d) velocità lineare o periferica:

Velocità di un punto sul bordo della centrifuga

Esercizio Una centrifuga di raggio 20 cm ruota a 3000 giri al minuto. Si determinino la frequenza, il periodo, la velocita’ lineare e la velocita’ periferica.

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Fi

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a A

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DINAMICA

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Fi

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a A

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pa

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PRINCIPI DELLA DINAMICA

I PRINCIPIO (PRINCIPIO DI INERZIA): un corpo su cui non agiscano forze o la risultante delle forze agenti sia nulla permane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme

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Fi

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a A

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ata,

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a , M

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È quella grandezza fisica che, applicata ad un corpo,

a)  ne causa la variazione della condizione di moto, oppure

b)  ne provoca la deformazione. È una grandezza vettoriale !

Esempio: composizione di due forze.

R è chiamata risultante delle forze applicate al corpo.

R

F

F1

F2

FORZA

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Fi

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a A

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a , M

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PRINCIPI DELLA DINAMICA

II PRINCIPIO (LEGGE di NEWTON):

Forza =massa × accelerazione F = m × a

>> Unita’ di misura nel S.I.: [kg x m/s2] = [N] Newton 1 N = 1 kg x 1 m/s2

Un corpo soggetto a una forza o a un insieme di forze a risultante non nulla accellera proporzionalmente alla forza applicata

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Fi

sica

a A

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FP

FORZA DI GRAVITA’ o FORZA PESO

Forza peso = massa × accelerazione di gravita’

FP = m × g

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Fi

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a A

pplic

ata,

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a , M

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pa

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DIFFERENZA TRA MASSA E PESO

ATTENZIONE alla differenza tra massa e peso: benche’ nel linguaggio comune si utilizzino entrambi i termini con lo stesso significato (riferendosi alla massa propriamente detta), in Fisica massa e peso sono due grandezze differenti: –  la massa come visto e’ la quantita’ di materia di un corpo e si misura

in kg –  il peso come visto e’ una forza e si misura pertanto in Newton –  il peso di un corpo si ottiene dalla massa del corpo medesimo

moltiplicata per l’accelerazione di gravita’ g

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Fi

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a A

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ata,

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Esercizio

Si determini il peso di 8 ml di mercurio [densita’ del mercurio: 13.6 x 103 kg/m3]

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Fi

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97

FP

FORZA DI GRAVITA’ o FORZA PESO

Forza peso = massa × accelerazione di gravita’

FP = m × g

Forza di gravitazione universale

Fg =G m1m2

d 2

m1

m2

F d

F

F Terra

m

mT

g = 9,8 m/s2

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Fi

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TANTI TIPI DI FORZE

Forza centripeta Forza di reazione vincolare Forza di attrito Forza elastica Forza elettrica ….

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

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99

ac

v

r

m

F

P = mg

N = -P Forza di reazione del vincolo sempre perpendicolare alla superficie di appoggio

P

N

Forza centripeta

Forza di reazione vincolare

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Fi

sica

a A

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ata,

Are

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100

N = -P

P

F FA FA = µ N

R = F - FA

R µ coefficiente d’attrito FA opposta allo spostamento

Forza di attrito

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Fi

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a A

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ata,

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101

S

l Δl F

F = - k x x = spostamento rispetto alla posizione di equilibrio F = forza di richiamo

legge di Hooke

rigido

elastico

Y piccolo

Y grande

più elastico

più rigido

(caucciù Y~107 N/m2)

(ossa Y~1010 N/m2)

In generale:

Per una barra:

Forza elastica

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102

Esercizio Un campione d’osso di forma cilindrica di lunghezza 20 cm e sezione trasversa 2 cm ha modulo di Young per trazione di 1,8·1010 N/m2. Se ne calcoli l’allungamento se sottoposto ad una forza traente di 50 N.

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Fi

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103

m

F F s

L = F// ⋅ Δs

Δs

F

F//

θ

F Δs F Δs

L=F·Δs L=0

LAVORO DI UNA FORZA

>> Unita’ di misura nel S.I.: [N x m] = [J] Joule 1J = 1kg × 1m2/1s2

La quantita’ di lavoro ottenibile da una forza dipende dalla direzione relativa della forza e dello spostamento

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Fi

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104

•  Rappresenta la capacità che un corpo ha di compiere lavoro.

•  Concetto comune a molti campi della fisica, può presentarsi in molteplici forme: •  energia associata a un corpo in movimento (energia cinetica)

•  energia associata alla posizione di un corpo (energia potenziale)

•  energia di legame molecolare (energia chimica)

•  energia associata alla massa (energia nucleare, E=mc2)

•  energia termica e calore

•  .........

•  Ogni processo naturale coinvolge trasformazioni di energia.

•  In un sistema isolato l’energia totale si conserva sempre (principio di conservazione dell’energia).

ENERGIA

>> Unita’ di misura nel S.I.: [N x m] = [J] Joule 1J = 1N × 1m = 1kg × 1m/s2 × 1m = 1kg × 1m2/1s2

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Fi

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105

Energia cinetica

Energia potenziale gravitazionale

v

m

h

ENERGIA MECCANICA

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106

In assenza di forze di attrito, l’energia

meccanica totale ET di un sistema si conserva Ec+Ep= ET = cost

ho

PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL”ENERGIA MECCANICA

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Fi

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107

La potenza rappresenta il lavoro compiuto da una forza nell’unità di tempo

POTENZA MECCANICA

P=LΔt

>> Unita’ di misura nel S.I.: [J/s] = [W] Watt 1 W = 1J/1s

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108

STATICA

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Fi

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109

CONDIZIONE DI EQULIBRIO PER UN PUNTO MATERIALE

Un punto materiale si trova in equilibrio se la risultante delle forze agenti e’ nulla

F1

F2

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110

F2

F1 ???

Corpo esteso

F1

F2

Punto materiale

CONDIZIONI DI EQUILIBRIO PER UN CORPO ESTESO

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

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F

b (braccio)

fulcro

r θ

[N·m] (S.I.)

90o

MOMENTO MECCANICO DI UNA FORZA

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Fi

sica

a A

pplic

ata,

Are

a Te

cnic

a , M

. Rus

pa

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r r

F

F equilibrio traslazionale

equilibrio rotazionale

CONDIZIONI DI EQUILIBRIO DI UN CORPO ESTESO

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Fi

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a A

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ata,

Are

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a , M

. Rus

pa

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EQUILIBRIO FERMO SU UN PIANO ORIZZONTALE

Perche’ il libro a sinistra non cade mentre il libro a destra cade?

N N

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BARICENTRO

Punto di applicazione della forza peso

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Fi

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EQUILIBRIO FERMO SU UN PIANO ORIZZONTALE

Un corpo sta in equilibrio su un piano orizzontale se la verticale passante per il baricentro cade all’interno della sua superficie di appoggio (che equivale a dire che non ci sono momenti torcenti)

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Fi

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Fr

br bm

Fm

Fr : forza resistente

Fm: forza motrice R= - (Fr +Fm)

LEVE

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Are

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br bm

br > bm

Fr·br = Fm·bm

> 1

Fm > Fr (leva svantaggiosa)

In una leva di I tipo si può anche avere Fm < Fr (leva vantaggiosa) [dipende dalla posizione del fulcro]

Nel caso specifico:

LEVE DI I TIPO

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bm

br

Fr

Fm

Fr·br = Fm·bm

br < bm

< 1

Fm < Fr (leva vantaggiosa)

LEVE DI II TIPO

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bm

Fr br

Fm

Fr·br = Fm·bm

br > bm

Fm > Fr (leva svantaggiosa)

LEVE DI III TIPO

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CALORE E TEMPERATURA

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Gli scambi di energia non necessariamente implicano lavoro meccanico

•  contatto tra corpi a temperatura diversa •  attrito •  corrente elettrica attraverso una resistenza •  reazioni chimiche •  scambi energetici tra corpo umano e ambiente

circostante •  …

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MECCANICA i costituenti microscopici di un corpo seguono le leggi introdotte moto d’insieme (baricentro)

TERMODINAMICA i costituenti microscopici si urtano casualmente e interagiscono reciprocamente moto casuale, descritto da leggi statistiche

PARAMETRI MACROSCOPICI: p, V, T legati in modo statistico alla posizione e velocita’ delle singole molecole

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Sensazione termica soggettiva

Definizione oggettiva?

Bisogna costruire una scala di riferimento basandosi su fenomeni che avvengono sempre alla stessa temperatura

TEMPERATURA

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TEMPERATURA CELSIUS

0o C ghiaccio in presenza di acqua di fusione

100o acqua che bolle

TEMPERATURA FARENHEIT

32o F ghiaccio in presenza di acqua di fusione

212o F acqua che bolle

t(o C) = 5/9 [t(o F) -32]

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TEMPERATURA ASSOLUTA

V = V0 (1+αt) legge della dilatazione termica

t temperatura Celsius

gas perfetto α = 1/273.15 o C-1

t = -273.15 o C V-273.15 = V0 (1 + 1/273.15(-273.15)) = 0 un valore inferiore di temperatura implica un volume negativo!

t = -273.15 o C ZERO ASSOLUTO

T(o K) = t(o C) + 273.15 t (o C) = 0 T (o K) = 273.15

t (o C) = 100 T (o K) = 373.15

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Esercizio

Si trasformino 20o Faranheit in gradi centigradi e Kelvin

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t1 t2

Due corpi a temperature t1 e t2 (t2 > t1) sono posti in contatto termico, isolati dall’ambiente

circostante

tf tf

Dopo un certo tempo, i due corpi raggiungeranno una temperatura intermedia di

equilibrio tf

EQUILIBRIO TERMICO

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TERMOMETRO CLINICO

Basato sull’equilibrio termico

Termometro ‘a massima’

La strozzatura tra il bulbo e il tubo capillare permette, sfruttando la tensione superficiale, di conservare la lettura della temperatura massima dopo la rimozione del termometro

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Anche in presenza di un moto collettivo, gli atomi e le molecole di un corpo sono in uno stato di moto caotico e disordinato. La temperatura di un corpo e’ legata al livello medio di tale agitazione termica della materia

Particella di un corpo solido, liquido o gassoso: •  Energia cinetica Ucin “agitazione termica” •  Energia potenziale Upot legami chimici •  Energia interna Ucin + Upot

Dalla combinazione di Ucin e Upot risultano i vari stati di aggregazione della materia

TEMPERATURA: INTERPRETAZIONE MICROSCOPICA

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SOLIDO: Upot >> Ucin particella ordinate in struttura regolare

Innalzando il livello termico aumenta Ucin liquido (e viceversa) LIQUIDO: Upot ~ Ucin

le particelle fluiscono

Innalzando il livello termico aumenta Ucin gas (e viceversa) GAS: Upot << Ucin

le particella si muovono in tutte le direzioni

CAMBIAMENTI DI STATO

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CAMBIAMENTI DI STATO

I cambiamenti di stato avvengono a temperatura costante

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CALORE Nelle transizioni termiche viene scambiato calore

Quando due corpi a temperature diverse sono messi a contatto viene trasferita energia termica dal corpo piu’ caldo al corpo piu’ freddo il corpo piu’ freddo guadagna Ucin e quindi sale in temperatura

Il calore puo’ essere ceduto o assorbito

>> Unita’ di misura nel S.I. : [J]

1 cal = 4.186 J 1kcal = 4186 J

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CAMBIAMENTI DI STATO

I cambiamenti di stato avvengono a temperatura costante benche’ venga scambiato (ceduto o assorbito) calore che si dice ‘calore latente’

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convezione PROPAGAZIONE MEDIANTE TRASPORTO DI MATERIA

conduzione PROPAGAZIONE SENZA TRASPORTO DI MATERIA

irraggiamento EMISSIONE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE (RADIAZIONE TERMICA)

TRASMISSIONE DEL CALORE

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Meccanismo di propagazione tipico dei fluidi, in cui il trasporto di calore è associato al trasporto di materia

Esempi:

•  Radiatore in una stanza;

•  Acqua in una pentola;

•  Nei sistemi biologici: sangue e linfa.

In generale, la quantità di calore Q scambiata in un certo tempo è proporzionale alla superficie S del radiatore ed alla differenza

di temperatura ΔT tra radiatore e stanza:

fornello

CONVEZIONE

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Meccanismo di propagazione del calore nei solidi

T1 T2

d K = conducibilità termica del materiale

S

Q

CONDUZIONE

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Trasmissione di calore per emissione di onde elettromagnetiche

da parte di un corpo a temperatura assolutaT.

Avviene anche nel vuoto !

Esempi:

•  Energia solare;

•  Animali a sangue caldo emettono onde infrarosse;

•  Corpi arroventati emettono luce.

IRRAGGIAMENTO

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METABOLISMO

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METABOLISMO Insieme delle reazioni biochimiche all’ interno dell’organismo necessarie per il sostentamento delle funzioni vitali e per l’attuazione di lavoro meccanico verso l’esterno

Alimenti

Ossidazione

ALIMENTAZIONE TERMOREGOLAZIONE

L’uomo e’ omeotermo

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ALIMENTAZIONE L’ossidazione delle sostanze organiche (carboidrati, proteine e grassi) libera energia

Es. C6H12O6 + 6O2 6 CO2 + 6 H2O + 666 kcal

Energia accumulata nei legami chimici della molecola di ATP (adenosintrifosfato) e successivamente utilizzata per il sostentamento dell’organismo e per l’attivita’ motoria

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METABOLISMO BASALE

Minimo consumo energetico richiesto dai processi vitali: •  funzione cardiaca, respiratoria, ghiandolare e

nervosa •  tono muscolare •  mantenimento temperatura corporea

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METABOLISMO ADDIZIONALE

•  Lavoro muscolare •  Lavoro mentale •  Digestione •  …

TOTALE = BASALE + ADDIZIONALE ~ 2500 kcal/die

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POTENZA METABOLICA

MR “ Metabolic rate” kcal/tempo

BMR “Basal metabolic rate”

Parametro diagnostico importante determinabile per esempio con uno spirometro attraverso la misura della quantita’ di ossigeno consumato nella combustione delle sostanze in cui gli alimenti sono scomposti

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LAVORO E POTENZA MUSCOLARE

Solo parte dell’energia impegnata viene trasformata in lavoro utile

Rendimento η = lavoro utile/energia impegnata = potenza meccanica/potenza

muscolare

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POTENZA METABOLICA

MR “ Metabolic rate” kcal/tempo

BMR “Basal metabolic rate”

Parametro diagnostico importante determinabile per esempio con uno spirometro attraverso la misura della quantita’ di ossigeno consumato nella combustione delle sostanze in cui gli alimenti sono scomposti

MR = BMR + potenza muscolare = BMR + potenza meccanica/η

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Esercizio Una persona a dieta svolge un’attivita’ fisica normale consumando 2500 kcal/die mentre il suo regime alimentare e’ di sole 1500 kcal. Se la differenza e’ compensata dai soli grassi di riserva (1 g di grasso fornisce 9.3 kcal), di quanti kg calera’ in un mese?

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POTERE CALORICO

Proteine/zuccheri: 4.1 kcal/g

Grassi: 9.3 kcal/g

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TERMOREGOLAZIONE

•  Perdita di calore dall’epidermide •  Perdita di calore con vapore acqueo e aria espirata •  Evaporazione del sudore

Bassa temperatura ambiente (T<< 37 oC): vasocostrizione, pelle d’oca, brividi

Alta temperatura ambiente (T ≥ 37 oC) o sforzo fisico: vasodilatazione, sudore

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• conduzione contatto tra organi interni contatto superficie cutanea con aria e vestiti

trasmissione interna ed esterna

• irraggiamento emissione termica

trasmissione esterna

• convezione diffusione con distribuzione omogenea

del calore interno tramite sangue

trasmissione interna

sudorazione e respirazione

H 2 O (t = 37°C) ≈ 580 cal g –1

trasmissione esterna

TRASMISSIONE CALORE NEL CORPO UMANO

• convezione

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Esercizio Il calore latente di evaporazione dell’acqua a 37o C vale 580 cal/g. Si determini quanto calore viene smaltito attraverso 10 g di sudore

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MECCANICA DEI FLUIDI   Fluidostatica: fluidi in quiete

  Fluidodinamica: fluidi in moto

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FORMA VOLUME

SOLIDO propria proprio

LIQUIDO contenitore proprio

GASSOSO contenitore contenitore FLUIDI

FLUIDI masse densita’

forze pressioni

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PRESSIONE

Pressione = forza/superficie p = F/A

>> Unita’ di misura nel S.I.: [N/m2] = [Pa] Pascal 1 Pa = 1 kg / 1 m/ 1 s2

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La pressione esercitata sun un punto della superficie limite di un fluido si trasmette inalterata in tutte le direzioni

PRINCIPIO DI PASCAL

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Pressione esercitata in un punto in profondita’ dalla colonna di fluido che lo sovrasta

PRESSIONE IDROSTATICA

P

h

(pidr)P = Fp/A con

FP peso colonna sovrastante A A superficie che contiene P

(pidr)P = m g /A = d V g /A =

= d A h g/A = d g h

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Esercizio Si verifichi che le unita’ di misura di d g h sono quelle di una pressione

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PRESSIONE IN UN FLUIDO IN QUIETE p0

P

Quali e quante pressioni in P? 1)  pressione esterna (tipicamente pressione atmosferica) 2) pressione idrostatica

Pressione totale = p0 + dgh LEGGE di STEVINO

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PRINCIPIO DEI VASI COMUNICANTI

In base alla legge di Stevino tutti i punti alla stessa profondita’ hanno lo stesso valore di pressione in un sistema di vasi comunicanti di qualsiasi forma la superficie limite si porta sempre alla stessa altezza rispetto ad un piano di riferimento poiche’ la pressione esterna, tipicamente la pressione atmosferica, e’ la stessa in ogni punto della superficie

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PRESSIONE ATMOSFERICA

Peso della colonna di aria che ci sovrasta di altezza quindi pari all’altezza dell’atmosfera

patm = d g h con

d densita’ aria h altezza atmosfera

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MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA: ESPERIMENTO DI

TORRICELLI

patm pidr

Condizione equilibrio: Patm= pidr = dHg × 760 mm × g

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MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA: ESPERIMENTO DI

TORRICELLI L’esperimento di Torricelli dimostra che la pressione atmosferica (a livello del mare) e’ pari alla pressione esercitata da una colonna di mercurio alta 760 mm

Patm = pidrostatica (760 mm di Hg) = = (si puo’ calcolare!) 1.013 x 105Pa

Si definiscono unita’ di misura pratiche pressione atmosferica a livello del mare = = 1 atm = 760 mmHg ≈ 105 Pa

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Esercizio

110 mmHg = ? Pa

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PRESSIONE ATMOSFERICA IN MONTAGNA e in PROFONDITA’

In montagna la pressione atmosferica diminuisce poiche’ la colonna d’aria sovrastante le nostre teste (atmosfera rimanente) e’ meno che a livello del mare

Quando ci immergiamo in profondita’ nei mari la pressione che agisce su di noi e’ maggiore che non a livello del mare perche’ alla pressione atmosferica si aggiunge la pressione dell’acqua che ci sovrasta. Ogni 10 m di acqua procurano 1 atm!

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Anche una colonna di sangue possiede una pressione idrostatica…quando siamo in posizione eretta l’altezza dei nostri vasi sanguigni contribuisce una pressione idrostatica che si somma (dal cuore in giu’) e si sottrae (dal cuore in su) a quella cardiaca

PRESSIONE IDROSTATICA DEL SANGUE

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La pressione cardiaca va sempre misurata con il braccio del paziente all’altezza del cuore altrimenti la pressione misurata sara’ la pressione cardiaca + o – il contributo della pressione idrostatica di una colonna di sangue di altezza Δh dove Δh e’ la differenza in altezza tra il punto di misura e il cuore

PRESSIONE IDROSTATICA DEL SANGUE

Δh (segno + se il punto di misura e’ piu’ basso del cuore, segno - se e’ piu’ alto)

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Supponiamo una distanza tra il punto di misurazione e il cuore di 30 cm. Di quanto si altera la misura della pressione cardiaca a causa di tale distanza?

Esercizio

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TERAPIE INFUSIVE

Per infondere farmaco in un vaso (vena) il farmaco deve avere una pressione superiore a quella del sangue nel vaso. Questa pressione si ottiene tipicamente sollevando il contenitore nel farmaco rispetto al punto di infusione. In questo modo per il farmaco di ottiene una pressione idrostatica dgh dove d e’ la densita’ del farmaco, g e’ l’accelerazione di gravita’ e h e la differenza di altezza tra il farmaco e il punto di infusione.

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Esercizio

Per effettuare una terapia infusiva, a che altezza minima va sistemato il recipiente affinche’ il farmaco entri in una vena dove la pressione del sangue e’ 18 mmHg?

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Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del fluido spostato

Parallelepipedo di densita’ d e volume V immerso in un fluido di densita’ df

Fp

FA

Fp = dVg FA = dfVg

Condizione di galleggiamento Fp = FA dipende dalle densita’ d e df e da quanta parte del volume V e’ immersa

PRINCIPIO DI ARCHIMEDE

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•  Non viscosi, incomprimibili

•  Condotti a pareti rigide non deformabili

•  Moto stazionario: velocita’ costante punto per punto

MOTO DI FLUIDI IDEALI

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PORTATA

>> Unita’ di misura nel S.I.: m3/s

La grandezza fisica che caratterizza il moto di un fluido (si pensi per esempio ad un fiume) e’ la portata definita come il volume di fluido che attraversa una sezione del condotto di scorrimento nell’unita’ di tempo

Q = V/t

Si puo’ dimostrare che Q = S × v con -  S sezione trasversa condotto -  v velocita’ di scorrimento

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LA PORTATA SI CONSERVA! La massa di fluido che attraversa in un certo intervallo di tempo la sezione di un condotto e’ la stessa che passa in qualsiasi sezione nello stesso tempo, cioe’ poiche’ la massa si conserva la portata si conserva, Q = cost

1 2

Q1 Q2

Q = cost Q1 = Q2

S1 v1 = S2 v2

Eq. di continuita’

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EQUAZIONE DI CONTINUITA’: RAMIFICAZIONI DI UN CONDOTTO

S1 v1 = S2 v2 = 5 S3 v3

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EQUAZIONE DI BERNOULLI Si dimostra a partire dalla conservazione dell’energia

meccanica

p1

p2 P + ½ dv12 + dgh = cost

p1 + ½ dv12 + dgh1 = p2 + ½ dv2

2 + dgh2

p1 + ½ dv12 = p2 + ½ dv2

2 per vaso orizzontale, h1 = h2

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APPLICAZIONE DELL’EQUAZIONE DI BERNOULLI: ANEURISMA

Aneurisma: ingrossamento di un vaso S2 > S1

S1 S2

Se S2 > S1 per l’equazione di continuita’ v2 < v1 in un aneurisma la velocita’ del sangue diminuisce

Se v2 > v1 per il teorema di Bernoulli p2 < p1 in un aneurisma la pressione del sangue aumenta

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APPLICAZIONE DELL’EQUAZIONE DI BERNOULLI: STENOSI

Stenosi: restringimento di un vaso S2 < S1

Se S2 < S1 per l’equazione di continuita’ v2 > v1 in una stenosi la velocita’ del sangue aumenta

Se v2 > v1 per il teorema di Bernoulli p2 < p1 in una stenosi la pressione del sangue diminuisce

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In un vaso sanguigno si forma un aneurisma dove la sezione aumenta del 15%. Si calcoli la conseguente variazione percentuale della velocita’ del sangue

Esercizio

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MOTO DI FLUIDI REALI

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MOTO DI UN FLUIDO REALE Consideriamo un condotto orizzontale a sezione

costante

1 2

S1 = S2 per l’equazione di continuita’ v2 = v1

v2 = v1, h2 = h1 per il teorema di Bernoulli p2 = p1

MOTO perpetuo a pressione e velocita’ costante! Non esiste nella realta’! L’equazione di Bernoulli va corretta

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COME CORREGGERE BERNOULLI? L’equazione di Bernoulli esprime come detto la

conservazione dell’energia meccanica, ovvero (Emeccanica)1=(Emeccanica)2

Nella realta’ l’energia meccanica non si conserva a causa dell’attrito

(Emeccanica)1=(Emeccanica)2 + attrito

Quindi tornando al condotto orizzontale a sezione costante p1 = p2 + attrito, ovvero Δp = attrito

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PERDITA DI CARICO E’ NECESSARIA UNA DIFFERENZA DI PRESSIONE Δp PER VINCERE LE FORZE DI ATTRITO E FAR SCORRERE FLUIDO IN UN CONDOTTO ORIZZONTALE A SEZIONE COSTANTE

serve Δp = motore

ALTRIMENTI DETTO, LE FORZE DI ATTRITO PORTANO ALLA CADUTA DELLA PRESSIONE IN

UN CONDOTTO (PERDITA DI CARICO)

Il nostro cuore e’ il motore del sangue!

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RESISTENZA IDRODINAMICA In analogia con la resistenza elettrica R = ΔV/I, dove ΔV mette in moto le cariche e I e’ la carica nell’unita’ di tempo

resistenza idrodinamica R = Δp/Q, dove Δp mette in moto il fluido e Q e’ il volume di fluido nell’unita’ di tempo

>> Unita’ di misura nel S.I.: [Pa s/m3]

R e’ direttamente proporzionale -  alla viscosita’ η -  alla lunghezza del condotto utilizzato

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REGIMI DI MOTO DI UN FLUIDO REALE

MOTO LAMINARE Lamine di fluido che scorrono parallelamente

Moto ordinato, silenzioso

MOTO TURBOLENTO Vortici

Moto caotico, rumoroso

La transizione da un regime all’altro avviene quando la velocita’ di scorrimento del fluido supera una velocita’ detta critica che dipende dalla viscosita’ del fluido in questione e dalle caratteristiche geometriche del condotto di scorrimento

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VELOCITA’ CRITICA

Vc = R η/dr

-  R numero di Reinolds, dipende dal fluido -  η viscosita’ fluido -  d densita’ fluido -  r raggio condotto

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Si determinino le unita’ di misura della viscosita’

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MOTO IN UN FLUIDO VISCOSO

Quando un corpo di muove a velocita’ v in un fluido viscoso entrano in gioco forze di attrito che si oppongono al moto. Genericamente

F = -kv

dove k e’ una costante che dipende dalla geometria del corpo che si muove e dalle proprieta’ del fluido

Se a muoversi e’ un corpo sferico di raggio r la forza di resistenza viscosa si chiama forza di Stokes e vale

FS = 8 π η r v

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Fp

FA

SEDIMENTAZIONE

r

FS

Il corpo comincia a scendere per effetto della forza di gravita’ Fp

All’inizio del moto la forza viscosa FS e’ piccola, cresce al crescere della velocita’

Ad un certo punto le 3 forze si equilibrano

Fp = FA + FS

Il moto continua a velocita’ costante detta velocita’ di sedimentazione

dcorpo Vg = dfluido V g + 6πηrv

v = (dcorpo-dfluido) Vg/6πηr

ddf

Fp = dfluido g V

FA = dcorpo gV

FS = 6πηrV

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CIRCUITO IDRODINAMICO DEL SANGUE

Due condotti in serie attraversati dalla stessa portata

In media la portata vale 5 litri/minuto ovvero 83 cm3/s (numero da ricordare a memoria!)

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Tra piccola e grande circolazione la portata e’ la stessa ma cambia la resistenza idrodinamica (maggiore lunghezza del condotto)

 Maggiori cadute di pressione nella grande circolazione (LA PRESSIONE NELLE VENE E’ MOLTO PIU’ BASSA CHE NELLE GRANDI ARTERIE)

 Maggiore lavoro del cuore sinistro

 Maggiore pressione in aorta che in arteria polmonare

CIRCUITO IDRODINAMICO DEL SANGUE

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Al momento dell’immissione dal ventricolo sinistro all’aorta la pressione del sangue e’ in media un centinaio di mmHg

Nella vena cava, che e’ l’ultimo vaso prima dell’atrio destro, la pressione scende quasi fino a 0 (4 mmHg)

Il ventricolo destro ricomprime il sangue ad una pressione di circa 25 mmHg prima dell’immissione nell’arteria polmonare

Il sangue affluisce all’atrio sinistro a pressione quasi nulla

A ciascun organo irrorato compete una resistenza idrodinamica. La resistenza idrodinamica totale e’ la somma di tutti i distretti

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IL SANGUE E’ VISCOSO, PERCHE’?

A causa dei globuli rossi soprattutto, che sono i piu’ grandi e i piu’ numerosi

La viscosita’ del sangue dipende -  dalla concentrazione di globuli rossi (ematocrito) -  dalla temperatura (aumenta al diminuire della temperatura)

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MISURAZIONE DELLA PRESSIONE CARDIACA

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FREQUENZA CARDIACA

Numero di “battiti” (contrazioni ventricolari) al minuto

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GITTATA SISTOLICA

Volume di sangue immesso in aorta a ogni pulsazione.

Quanto vale in media?

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Con l’equazione di continuita’, a partire dalla portata e dalla sezione dell’aorta, possiamo stimare la velocita’ del sangue in aorta. Possiamo fare altrettanto per i capillari

VELOCITA’ DEL SANGUE

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REGIMI DI MOTO DEL SANGUE

Calcolando la velocita’ critica e confrontandola con la velocita’ di scorrimento si puo’ dedurre se il moto in un certo vaso e’ laminare o turbolento

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Anche i polmoni, come il sistema circolatorio, sono un sistema fluidodinamico: l’aria si muove in un insieme di condotti arboriforme (trachea, bronchi, bronchioli, alveoli)

Contrazioni delle fasce muscolari che agiscono sulla gabbia toracica provocano dilatazioni/compressioni  Variazioni di pressione   Ingresso e uscita di aria

•  Aumenta il volume diminuisce la pressione

•  Diminuisce il volume aumenta la pressione

MECCANICA DELLA RESPIRAZIONE

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GAS, SOLUZIONI DILUITE,

FENOMENI DIFFUSIVI

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Quantità di sostanza corrispondente alla massa molecolare espressa in grammi

MOLE (grammoatomo o grammomolecola

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Notazione:

Z ⇒ numero atomico ≡ numero di protoni definisce l’elemento chimico

A ⇒ numero di massa ≡ numero di nucleoni (protoni + neutroni)

Isotopi: atomi con stesso Z ma A diverso (es: 12C e 14C)

X A

Z

TAVOLA PERIODICA

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Quantità di sostanza corrispondente alla massa molecolare espressa in grammi.

•  Esempio: 1 mole di H2O corrisponde a circa (2×1+16)g=18g di acqua.

•  Una mole di una qualsiasi sostanza contiene lo stesso numero di atomi o molecole (numero di Avogadro):

NA=6,022·1023 mole-1

numero di moli n =

numero di molecole N = (num. di Avogadro NA)×(num. di moli n)

m massa espressa in grammi massa atomica o molecolare M

MOLE (grammoatomo o grammomolecola

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Data una massa m = 8,8 mg di CO2, calcolare: 1)  il numero di moli

2)  il numero di molecole

Esercizio

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•  volume occupato dalle molecole è trascurabile;

•  forze di attrazione tra molecole sono trascurabili;

•  gli urti tra molecole sono elastici:

urti elastici urti non elastici

In pratica:

ogni gas a temperatura elevata e molto rarefatto si comporta come un gas perfetto

GAS PERFETTO

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numero di moli

temperatura assoluta (K)

R è la costante dei gas perfetti

Sistema Internazionale

Unità pratiche: volume ⇒ litri pressione ⇒ atm

EQUAZIONE DI STATO DI UN GAS PERFETTO

pV = nRT

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Sia data una miscela di gas in un recipiente di volume V a temperatura T:

Pressione parziale del componente i-esimo è la pressione che eserciterebbe il costituente i se da solo occupasse tutto il volume

Legge di Dalton: la pressione totale di una miscela di gas è pari alla somma delle pressioni parziali di ciascun componente della miscela:

Si deduce che

p = p1 + p2 + ...= n1RTV

+ n2RTV

+ ...= (n1 + n2 +) RTV

= n RTV

MISCELA DI GAS

Frazione molare

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Componente fr. molare Componente fr. molare

Azoto (N2) 78,00 % Argon (Ar) 0,97 %

Ossigeno (O2) 20,93 % An. Carbonica (CO2) 0.03 %

Esempio: aria a 15 oC, p = 1 atm, al livello del mare:

In pratica, nota la pressione totale di una miscela di gas (se non e’ nota si puo’ misurare!), la pressione parziale di un qualsiasi componente della miscela e’ sempre calcolabile moltiplicando la pressione totale per la frazione percentuale di tale componente

+ vapore acqueo (0,1 % ÷ 2 %)

p(N2) = 0.78 x 1 atm = 0.78 atm = 593 mmHg P(02) = 0.21 atm x 1 atm = 0.21 atm = 160 mmHg p(Ar) = 0.001 x 1 atm = 0.001 atm = 0.76 mmHg p(CO2) = 0.0003 x 1 atm = 0.0003 atm = 0.23mmHg

PRESSIONE PARZIALE

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In una soluzione:

•  ni moli di soluto

•  no moli di solvente

Soluzione diluita: ni << no

SOLUZIONI DILUITE

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% (grammi soluto / 100 g di soluzione % vol. (ml di soluto / 100 ml soluzione

g/litro moli/litro (molarità)

Esempio:

Concentrazione di soluti nel plasma

totale

CONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONE

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DIFFUSIONE LIBERA Le molecole sia del soluto sia del solvente in una soluzione sono animate dai moti disordinati di agitazione termica si muovono in ogni direzione in modo casuale a causa dell’agitazione termica

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DIFFUSIONE LIBERA Le molecole sia del soluto sia del solvente in una soluzione sono animate dai moti disordinati di agitazione termica si muovono in ogni direzione in modo casuale a causa dell’agitazione termica

Si consideri una soluzione con iniziale gradiente di concentrazione tra due compartimenti

All’equilibrio le concentrazioni sono uguali

La migrazione di soluto fino a equilibrare le concentrazioni avviene per agitazione termica!

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Se la soluzione e` diluita: π·V = δ·nRT (Van’t Hoff) •  δ = coefficiente di dissociazione elettrolitica (δ=1 per soluto non dissociato)

•  a T= costante, π è proporzionale a n/V ( = concentrazione moli/litro)

E`un fenomeno di diffusione selettiva attraverso una membrana semipermeabile (permeabile al solvente ma non al soluto).

H2O

C6H12O6

Membrana semipermeabile:

consente il passaggio di H20

ma non di C6H12O6

All’equilibrio:

la pressione idrostatica p=dgΔh è

bilanciata dalla pressione osmotica

π

p π

π=dgΔh

OSMOSI

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Molte membrane biologiche sono selettive:

•  pareti capillari ed intestinali

•  membrana alveolare

•  membrana cellulare

•  tubuli renali

La diffusione di sostanze dipende dalla differenza di

pressioni idraulica ed osmotica tra i due lati della

parete

OSMOSI NEI SISTEMI BIOLOGICI

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Le soluzioni iniettate per via endovenosa devono avere la medesima pressione osmotica del plasma

soluzioni ISOTONICHE

stessa concentrazione (moli/litro) del plasma

(se la temperatura e’ la medesima)

 soluzione ipertonica ⇒ atrofizzazione dei globuli rossi

 soluzione ipotonica ⇒ emolisi dei globuli rossi

SOLUZIONI ISOTONICHE

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Quanti grammi di glucosio (C6H12O6) vanno disciolti in un litro di acqua per avere una soluzione isotonica al sangue ?

Esercizio

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Meccanismo attraverso il quale miscele gassose (es. O2, N2, CO2) diffondono nei liquidi del corpo umano attraverso membrane

permeabili ai gas

membrana alveolare

membrana capillare

Legge di Henry: a temperatura costante, la quantità di gas disciolta in un liquido è proporzionale alla pressione parziale del gas sul liquido.

gas s (0 oC)

(cm3/atm) s (40 oC)

(cm3/atm)

O2 4,9 2,3 N2 2,4 1,2 CO2 170 53

V = volume di gas disciolto in 100 ml;

p = pressione parziale del gas;

s = coefficiente di solubilità.

DIFFUSIONE DI GAS NEI SISTEMI BIOLOGICI

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aria alveolare gas frazione molare pressione parziale N2 80,4 % 573 mmHg

O2 14,0 % 100 mmHg CO2 5,6 % 40 mmHg

H2O vapor saturo 47 mmHg

Totale 760 mmHg

Esempio: diffusione attraverso la membrana alveolare

Il volume di N2 disciolto in 100 ml di sangue è

(legge di Henry):

Per un individuo di massa pari ad 80 kg

(67 % di H2O):

Nota: il volume di azoto disciolto nel sangue aumenta durante le immersioni subacquee e viene eliminato durante la risalita.

risalita veloce embolia gassosa

DIFFUSIONE DI GAS NEI SISTEMI BIOLOGICI

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FENOMENI ELETTRICI

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L'atmosfera è continuamente sede di fenomeni elettrici e magnetici che vanno dal semplice accumulo di cariche elettrostatiche alle scariche dei fulmini durante i temporali

Nelle giornate secche e ventose l'accumulo di cariche elettrostatiche sugli abiti o sugli oggetti può portare alla creazione di differenze di potenziale il cui effetto si sente sotto forma di piccole correnti

L’ipotesi e lo studio delle proprieta’ elettriche e magnetiche della materia si sviluppo’ a partire dall’osservazione di questi fenomeni che non trovavano spiegazione nella fisica allora nota (meccanica classica)

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CARICA ELETTRICA

Tutto ciò che ha a che fare con l’elettricità trae origine da una proprietà della materia chiamata carica elettrica (simbolo q)

In natura esistono due tipi di carica elettrica: positiva e negativa. Sperimentalmente si osserva che cariche uguali si respingono, cariche opposte si attraggono

>> Unita’ di misura nel S.I.: Coulomb [C]

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DOVE SI TROVA LA CARICA ELETTRICA?

Elettroni

Nucleo

NEGLI ATOMI

DI CHE COSA SIAMO FATTI? DI ATOMI

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Nei sistemi biologici la forza elettrica interviene nella trasmissione degli impulsi nervosi, nella contrazione delle fibre muscolari, nei meccanismi di trasferimento cellulare

FENOMENI ELETTRICI ALLA BASE DELLA MATERIA VIVENTE E NON

Forze elettriche tengono legati gli elettroni in un atomo e gli atomi in una molecola determinando le proprieta’ chimiche di tutte le sostanze

Elettroni

Nucleo

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L’ATOMO

Nel suo stato normale, un atomo contiene lo stesso numero di protoni e di elettroni, ed è quindi elettricamente neutro

Un atomo di ossigeno è costituito da un nucleo con 8 protoni e 8 neutroni intorno a cui orbitano 8 elettroni. La carica sua totale è quindi

Q = 8x(1.6 10-19 C) + 8x(-1.6 10-19 C) + 8x0 C = 12.8 10-19 C - 12.8 10-19 C = 0 C

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CARICA ELETTRICA

Tutto ciò che ha a che fare con l’elettricità trae origine da una proprietà della materia chiamata carica elettrica (simbolo q)

In natura esistono due tipi di carica elettrica: positiva e negativa Sperimentalmente si osserva che cariche uguali si respingono, cariche opposte si attraggono

>> Unita’ di misura nel S.I.: Coulomb [C]

La carica elettrica non si crea ne’ si distrugge ma si trasferisce da un corpo all’altro

Corpi carichi: negativamente ⇒ eccesso di elettroni

positivamente ⇒ carenza di elettroni

Corpi neutri: equilibrio tra cariche positive e cariche negative

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ELETTRIZZAZIONE DEI CORPI

Tale separazione di carica avviene per esempio quando sostanze dissimili vengono strofinate una contro l’altra: se si strofina una bacchetta di vetro con un tessuto di seta, alcuni elettroni si trasferiscono dal vetro alla seta lasciando il vetro carico positivamente e la seta negativamente

Altri esempi osservabili nella vita quotidiana:   se si fa scorrere vigorosamente un pettine tra i capelli asciutti questi ultimi si elettrizzano   se strofiniamo su della lana un oggetto di plastica, esso si carica elettricamente ed attira o respinge piccoli frammenti di carta 

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CARICA ELETTRICA DI UN CORPO

Poiché la carica elettrica Q di un corpo rappresenta un eccesso o un difetto di elettroni, Q sarà sempre uguale ad un multiplo intero (positivo o negativo) della carica dell’elettrone (qe)

Esercizio

Una bacchetta di vetro strofinata con un panno acquista una carica elettrica Q=3.2·10-10 C. Quanti elettroni si trasferiscono dal vetro al panno?

(3.2 · 10-10 C)/(1.6 · 10-19 C) = 3.2/1.6 · 10-10+19 = 2 · 109

|qe| = 1.6 · 10-19 C

N= Q/|qe| =

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INTERAZIONE TRA CARICHE

Questo vuol dire che oggetti carichi esercitano una forza l’uno sull’altro

+ q2

- q1

- q2

- q1 Oggetti con carica dello stesso segno si respingono

Oggetti con carica di segno opposto si attraggono

+q2

+q1

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FORZA DI COULOMB In analogia con la forza di gravitazione universale

MA

•  la forza che agisce tra due cariche elettriche e’ molto piu’ intensa la costante deve essere molto piu’ grande di G

•  la forza che agisce tra due cariche elettriche e sia attiva sia repulsiva (attiva se le cariche hanno segno opposto, repulsiva se le cariche hanno lo stesso segno)

Fg =G m1m2

r 2

FCoulomb = k0q1q2r 2

con

k0 = 9 ⋅109N ⋅m 2 /C 2 nel vuoto

nella materia k < k0, la materia, essendo fatta di cariche elettriche, la materia scherma la forza di Coulomb

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IONI

FE

Na+ Cl-

Sodio cede un elettrone al Cloro

La perdita di uno o più e+ trasforma gli atomi in ioni positivi L’acquisizione di uno o più e+ trasforma gli atomi in ioni negativi

Si formano così gli ioni Na+ e Cl- Avendo carica opposta tali ioni si attraggono

Si forma così un composto ionico detto Cloruro di sodio (sale da cucina)

•  Ioni Na+ e Cl- si trovano anche nel plasma sanguigno •  Ioni Na+ e K+ giocano un ruolo fondamentale nella trasmissione dell’impulso nervoso

Na Cl

e-

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CORRENTE ELETTRICA

Il moto ordinato di cariche elettriche all’interno di un materiale è detto CORRENTE ELETTRICA. La corrente che scorre all'interno di un corpo non e' qualcosa che viene dall'esterno: sono le cariche elettriche contenute in quel corpo che si muovono

>> Unita’ di misura nel S.I. : [A] Ampere 1A=1C/1s

I = q/t Intensita’ di corrente

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CONDUTTORI E ISOLANTI Le proprieta’ elettriche di un corpo dipendono in modo determinante dal fatto che siano disponibili o meno al suo interno cariche elettriche libere di muoversi

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DIFFERENZA DI POTENZIALE

Affinche’ una o piu’ cariche si muovano tra due punti nello spazio e’ necessario che tra i suddetti punti ci sia una differenza di potenziale elettrico (simbolo ΔV)

Per comprendere il ruolo del potenziale elettrico e della differenza di potenziale e’ utile l’analogia con il flusso di acqua di un fiume. L’acqua (equivalente della carica elettrica in questa analogia) scorre solo tra due punti tra cui ci sia una differenza di altezza.

>> Unita’ di misura nel S.I. : [A] Ampere 1A=1C/1s

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CIRCUITI ELETTRICI Prendiamo due corpi, uno carico positivamente e l’altro carico negativamente, tra cui esiste una differenza di potenziale

Collegando i due corpi con un filo di materiale condutture le cariche negative si muoveranno verso il corpo carico positivamente per azzerare la differenza di potenziale

Collocando una lampadina lungo la strada delle cariche è possibile accenderla

+ - V1 V2

+ - V1 V2

+ - V1 V2

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CIRCUITI ELETTRICI

Generatore di differenza di potenziale

DV Dispositivo

elettrico semplice ΔV=V1-V2 -

+

Per mantenere il moto delle cariche serve un generatore di differenza di potenziale (ΔV)

Spesso la differenza di potenziale viene anche chiamata forza elettromotrice (f.e.m.) o tensione

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ESEMPI DI GENERATORI DI TENSIONE

Pile

Batteria da 12V per auto

L'elettricità che arriva nelle nostre case è prodotta in apposite centrali elettriche e viaggia attraverso linee lunghe anche centinaia di chilometri

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ΔV = R ⋅ I

+

- ΔV R

Resistenza elettrica R (lampadina, stufa, ...)

Generatore di tensione (pila, dinamo, ..)

I

LEGGE DI OHM, RESISTENZA ELETTRICA

>> Unita’ di misura nel S.I. : [Ω] ohm 1V= 1Ω × 1A

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L’energia elettrica rappresenta una delle forme d'energia più comunemente e diffusamente utilizzate: basti pensare alla luce artificiale e agli elettrodomestici che sono presenti nelle nostre case

ENERGIA ELETTRICA

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I

I

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- ΔV ?

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Lavoro compiuto dalle forze elettriche per portare una carica q da A a B:

Potenza elettrica:

L’energia fornita dal generatore elettrico viene dissipata in R sotto forma di calore (effetto Joule)

POTENZA ELETTRICA

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ELETTRICITA’ PER USO DOMESTICO

L'elettricità che arriva nelle nostre case è prodotta in apposite centrali elettriche e viaggia attraverso linee lunghe anche centinaia di chilometri

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CORRENTE ALTERNATA La differenza di potenziale tra i due poli di una comune presa di corrente e’ alternata, ovvero presenta un andamento periodico con pocchi positivi e picchi negativi (in Europa +-310 V a 50 Hz)

Si puo’ dimostrare che la potenza media dissipata nella resistenza e’ uguale a quella che si avrebbe se alla resistenza fosse applicata una differenza di potenziale costante di 220 V

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CONDUZIONE ELETTRICA NEL CORPO UMANO

Il corpo umano è un buon conduttore elettrico perché nei suoi liquidi vi è un’elevata concentrazione di ioni. La resistenza offerta al passaggio di corrente dipende dai punti tra cui è applicata la tensione e dalle condizioni: la pelle secca è isolante (R=2kW), se bagnata conduce (R=2W)

Il passaggio di corrente può sviluppare calore, soprattutto nei punti in cui la corrente esce ed entra dal corpo, e causare scottature e ustioni

Se la corrente attraversa la regione cardiaca possono prodursi eccitazioni che interferiscono con l’attività di cuore e polmoni

Tempi di esposizione alla corrente brevi (< 1s) non sono in genere pericolosi

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I ~ 1 mA ok 10 mA tetanizzazione dei muscoli 70 mA difficoltà di respirazione 100÷200 mA fibrillazione > 200 mA ustioni e blocco cardiorespiratorio

Conduzione elettrica nel corpo umano

Tempi di esposizione lunghi ad una corrente alternata con frequenza 50Hz possono dar luogo a:

Se assumiamo per il corpo umano una R=2kW (pelle asciutta) il contatto accidentale con la tensione alternata presente nelle nostre case darebbe luogo ad una corrente:

Potenzialmente mortale

Per questo nelle case ci sono dispositivi di messa a terra e un interruttore salvavita che controlla la corrente che circola nell’impianto e interrompe il circuito in pochi ms se riscontra anomalie

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FENOMENI MAGNETICI

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MAGNETISMO

Il magnetismo è un’altra delle proprietà fondamentali della materia

Alcune pietre (calamite naturali o magneti) si attraggono a vicenda ed attraggono materiali come il ferro o l’acciaio

Un pezzo di acciaio temperato in presenza di un magnete acquista proprietà magnetiche che non perde neppure quando lo si separa dal magnete: diventa una calamita permanente

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Anche la Terra si comporta come una grande calamita

Un ago calamitato libero di girare intorno al suo centro (bussola) assume rispetto alla terra una posizione definita, orientandosi lungo la direzione nord-sud. L’estremità dell’ago che si orienta verso Nord si chiama “Polo Nord” del magnete. Analogamente è chiamata “Polo Sud” l’estremità che si rivolge a Sud

LA TERRA E’ UNA GRANDE CALAMITA

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POLI MAGNETICI

Qualunque magnete, come l’ago magnetico, presenta un Polo Nord e un Polo Sud. Se si spezza in due un magnete si ottengono 2 magneti, ciascuno con un Polo Sud e un Polo Nord. La stessa cosa accade se dividiamo in due i “magnetini” ottenuti. Fino ad oggi non si è ancora riusciti ad individuare un oggetto magnetico costituito da un ‘unico polo

Il polo Nord di una calamita respinge il polo Nord di un’altra calamita, mentre attrae il suo Polo Sud

repulsione attrazione Poli uguali si respingono Poli opposti si attraggono

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APPLICAZIONI MEDICHE DI ELETTRICITA’ e MAGNETISMO

Diverse sono le apparecchiature mediche che utilizzano campi elettrici e magnetici a scopo diagnostico

ECG, EEG osservando le differenze di potenziale tra diverse parti del corpo si traggono informazioni sul funzionamento del cuore e del cervello

La risonanza magnetica utilizza campi magnetici e onde radio per produrre immagini tridimensionali degli organi

Defibrillatore: se alla regolare attività elettrica del cuore subentra un’attività continua e anarchica si ha fibrillazione ventricolare con arresto della circolazione. Se il cuore in fibrillazione è attraversato da una corrente elettrica intensa ma di breve durata, le cellule cardiache vengono simultaneamente depolarizzate e possono riprendere il giusto ritmo.

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FENOMENI ONDULATORI

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ONDA

Oscillazione ma ... di che cosa?

Oscillazione della posizione, velocità, accelerazione di un mezzo materiale

ONDA ELASTICA (esempio: onde del mare, onde sonore, onde lungo una corda vibrante)

Oscillazione dei vettori campo elettrico e magnetico

ONDA ELETTROMAGNETICA si propaga anche nel vuoto

Se l’oscillazione si ripete ad intervalli regolari l’onda è detta periodica

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LUNGHEZZA D’ONDA

Immaginiamo di fotografare una corda in oscillazione

otteniamo un’istantanea a tempo fissato

Lunghezza d’onda: distanza tra due massimi successivi; si indica con λ (“lambda”) e si misura in metri

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PERIODO

Immaginiamo di fissare sempre lo stesso punto di una corda in oscillazione al trascorrere del tempo otteniamo una ripresa a spazio fissato

Periodo: distanza tra due massimi successivi; si indica con T e si misura in secondi

Frequenza: l’inverso del periodo, f = 1/T, si misura in secondi-1

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VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE

velocità = spazio/tempo

velocità = lunghezza d’onda/periodo

v = λ/T = λf

Si osservi che lunghezza d’onda e frequenza sono inversamente proporzionali

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ONDE ACUSTICHE

ONDE ACUSTICHE: compressione e rarefazione aria

•  Se di frequenza compresa tra 20 Hz e 20000 Hz suono udibile dall’orecchio umano

•  Sotto i 20 Hz infrasuoni

•  Sopra i 20000 ultrasuoni

Numerose applicazioni mediche, per esempio flussimetria Doppler e ecografia a ultrasuoni

Δp = Δpo sen(2π ⋅ x λ)

‘onde di pressione’

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Materiale Velocità di propagazione

Aria 344 m/s

Acqua 1480 m/s

Tessuto corporeo 1570 m/s

Legno 3850 m/s

Alluminio 5100 m/s

Vetro 5600 m/s

NOTA: Nel passaggio tra due mezzi con diverse velocità di propagazione, la frequenza dell’onda si mantiene inalterata mentre varia la lunghezza d’onda.

ONDE ACUSTICHE

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Potenza P di una sorgente [W] È l’energia emessa da una sorgente (sonora) nell’unità di tempo

Intensità di un’onda I [W/m2] Rappresenta l'energia trasportata dall’onda che nell'unità di tempo fluisce attraverso una superficie unitaria

L’intensità è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente

POTENZA E INTENSITA’ SONORA

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Il log10 di un numero qualsiasi a (base) e’ l’esponente che devo dare a 10 per ottenere a

Il calcolo dei logaritmi si semplifica notevolmente quando la base e’ una potenza di 10

log10 10n = n! Infatti l’esponente che devo dare a 10 per ottenere 10n e’ n!

LOG10

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L’orecchio umano è sensibile ad intensità sonore tra 10-12 W/m2 e 102 W/m2. Tuttavia, la sensazione uditiva non è proporzionale all’intensità sonora, ma approssimativamente al suo logaritmo.

Livello di intensità sonora IL [dB] E` definito come il logaritmo del rapporto fra l’intensità misurata ed una intensità di riferimento (I0):

Per convenzione internazionale: I0 = 10-12 W/m2 (minima intensità percepibile dall’orecchio umano)

10-12 W/m2 a 102 W/m2 → tra 0 e 140 dB

DECIBEL

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Esempi di intensità sonora

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ONDE ELETTROMAGNETICHE

Si può verificare sperimentalmente che   un campo elettrico variabile nel tempo produce un campo magnetico   un campo magnetico variabile nel tempo produce un campo elettrico

Campo magnetico variabile genera campo elettrico questo campo elettrico è variabile e genererà un campo magnetico questo campo magnetico è variabile e genererà a sua volta un campo elettrico variabile …

Il Risultato è la produzione di un’onda che si propaga nello spazio detta

onda elettromagnetica

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ONDE ELETTROMAGNETICHE

Tutte le onde em nel vuoto si propagano con la stessa velocità, pari alla velocità della luce:

c= 3·108 m/s

La relazione tra lunghezza d’onda frequenza e velocità di propagazione per un’onda elettromagnetica diventa:

c = λ/T = λ·f

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All’ aumentare della lunghezza d’onda diminuiscono la frequenza e l’energia

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

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Radiologia TAC Scintigrafia SPECT

Radioterapia

SPETTRO ELETTROMAGNETICO Come vengono utilizzate le onde elettromagnetiche alle varie frequenze?