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http: //www. ph. unito/ galeotti piero. galeotti@unito. it LIBRI CONSIGLIATI • Presentazioni PPT utilizzate a lezione (disponibili nelle pagine WEB dei docenti in formato PDF) • Halliday, Resnik, Walker Fondamenti di Fisica, Ed. CEA (molte figure del corso sono tratte da questo libro) • Ragozzino Elementi di Fisica, Ed. Edises • Kane, Sternheim Fisica biomedica, Ed. EMSI • Altri testi di Fisica già in vostro possesso (consultate i docenti per un consiglio su questi testi) Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 1

INVITO ALLA FISICA Cosa è la fisica? da Aristotele a Galileo, da Newton a Einstein, la fisica è lo studio dei fenomeni naturali (es. moto dei pianeti, buio della notte, arcobaleno, colore del cielo, galleggiamento dei corpi, struttura della materia, propagazione dei suoni, materiali isolanti o conduttori, interazioni fondamentali. . . ). GRANDEZZE FISICHE QUANTITA` MISURABILI Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 2

Conseguenza: i dati sperimentali sono alla base della Fisica (e delle Scienze in genere). Il metodo di analisi dei dati richiede l’uso della Statistica (per es. valor medio, varianza, distribuzioni di probabilità, errori statistici e sistematici) e della teoria degli errori. La definizione di grandezze misurabili, la raccolta dei dati tramite esperimenti, l’analisi dei dati e un modello interpretativo sono alla base del metodo “scientifico”, utilizzato in tutti i campi della Scienza. Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 3

Cenni storici La fisica nell'antichità (il mito) Si deve ai popoli dell’antichità (Assiri, Babilonesi, Caldei, Egizi, Sumeri, Fenici, ecc. . ) la nascita della nostra civiltà. Il mondo ellenistico fece una sintesi delle loro conoscenze e diede origine alla scienza classica. Talete importò nel mondo greco la matematica e la fisica di egizi e babilonesi. Pitagora riteneva la Terra sferica. Aristarco e Eratostene fecero le prime misure sul sistema solare (ritenuto eliocentrico). Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 4

Aristotele definì gli elementi fondamentali di natura (terra, acqua, aria, e fuoco) e le forze che agiscono tra loro. Democrito, Epicuro e Lucrezio formularono la teoria atomistica. Tolomeo e Ipparco introdussero l’astronomia e la cosmologia (sistema geocentrico). La Scienza degli antichi termina con lo sviluppo di nuove idee, in particolare da parte di Leonardo, Bruno (1548, 17/2/1600) e Campanella. La prima rivoluzione scientifica (XVI e XVII secoli): Copernico, Galileo, Keplero, Cartesio, Newton, Eulero, Boyle, Pascal, Laplace. . Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 5

La seconda rivoluzione scientifica (XIX secolo) porta alla nascita della scienza moderna. Teorie, esperimenti e osservazioni sono alla base della scienza moderna. La nuova fisica comprende: Einstein e la relatività. Planck e la meccanica quantistica. L’atomo di Bohr e la nascita della fisica atomica. La fisica nucleare. La radioattività. La conoscenza dell'infinitamente piccolo (le particelle elementari e le loro interazioni) e dell'infinitamente grande (la cosmologia e l'astrofisica) 6

La fisica classica studia fenomeni su scala umana, la fisica moderna studia anche l’infinitamente piccolo e l’infinitamente grande. Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 7

Grandezze fisiche e unità di misura Esistono grandezze dimensionali e adimensionali (tra queste ultime, per es. il radiante, ossia il rapporto tra l’arco e il raggio definito da un angolo), e inoltre grandezze fondamentali e grandezze derivate (per es. spostamento, tempo, velocità, forza). Per le grandezze dimensionali si devono sempre specificare le corrispondenti unità di misura. Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 8

Per le unità di misura delle grandezze si è adottato il Sistema Internazionale (S. I. o MKS metrokilogrammo-secondo) ma a volte in fisica si usa ancora il sistema cgs (centimetro, grammo, secondo). Potenze di 10: da meno di 10 -12 (pico) a oltre 1012 (tera) ma anche molto più piccole (per es. 10 -43 s, il tempo di Planck) o molto più grandi (per es. 1026 m, il raggio dell’universo oppure 1030 kg, la massa del Sole). Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 9

Le unità fondamentali del S. I. sono riportate in tabella. Grandezza Nome Simbolo lunghezza metro m massa kilogrammo kg tempo secondo s corrente ampere A temperatura kelvin K quantità di sostanza mole mol intensità luminosa candela cd Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 10

Grandezze scalari e vettoriali Le grandezze fisiche possono essere scalari o vettoriali (per es. la velocità è definita da un modulo, una direzione e un verso). direzione (angolo rispetto sistema di riferimento scelto) lo ento) u d mo l segm g a hezz (lun Piero Galeotti verso (punta della freccia) de Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 11

Il prodotto scalare (o interno) tra due vettori è una grandezza scalare c = a·b = ab cosq (il prodotto scalare è nullo per q = p/2). Il prodotto vettoriale (o esterno) tra due vettori è una grandezza vettoriale c = a∧b di modulo c = ab sinq, direzione perpendicolare al piano contenente i due vettori a e b, verso tale da essere antioraria la sovrapposizione del primo vettore sul secondo (il prodotto vettoriale è nullo per q = 0). A differenza del prodotto scalare, per il prodotto vettoriale non vale la proprietà commutativa, ossia a∧b ≠ b∧a. Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 12

IL MOVIMENTO Cinematica 1 - velocità e accelerazione come grandezze scalari • velocità media vm = Ds/Dt = s/t velocità istantanea • accelerazione media am = Dv/Dt accelerazione istantanea Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 13

Unità di misura Nel S. I. le unità di misura della velocità e dell’accelerazione sono il m/s e m/s 2 rispettivamente. Si noti che 1 m/s equivale a 3. 6 km/h. Infatti: 1 km/h = 1000 m/3600 s = (1/3. 6) m/s Tra i moti lungo una sola direzione sono particolarmente importanti i seguenti: Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 14

Moto uniforme: avviene a velocità v = costante. Ne seguono le espressioni per l’accelerazione: a=0 e per lo spazio: s = s 0 + vt Per esempio. . . Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 15

Dopo aver percorso 8, 4 km a 70 km/ora un automobilista rimane senza benzina e prosegue per 2, 0 km fino al distributore, dove arriva dopo 30 minuti. Qual è stata la distanza complessiva percorsa? Quanto tempo è stato impiegato in tutto? Qual è stata la velocità vettoriale media? Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 16

Moto uniformemente vario: avviene ad accelerazione a = costante (positiva o negativa), da cui si ottengono: e espressioni equivalenti, per esempio, da t = (v - v 0)/a si ottiene: Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 17

Se a > 0 (oppure a < 0) il moto si dice uniformemente accelerato (oppure uniformemente ritardato). Altre espressioni per descrivere il moto uniformemente accelerato sono le seguenti: avendo assunto s 0 = 0 per semplicità. Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 18

Esempio di moto in una direzione Sia lo spazio percorso s = 6 t 3 + 4 t + 5 in direzione rettilinea. La velocità v = 18 t 2 + 4 e l’accelerazione a = 36 t si ricavano per derivazione. Si ottengono cosi i valori riportati in tabella e figura seguenti. t 0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2. 0 2. 2 a 0. 0 7. 2 14. 4 21. 6 28. 8 36. 0 43. 2 50. 4 57. 6 64. 8 72. 0 79. 2 v 4. 0 4. 8 6. 94 10. 5 15. 6 22. 0 30. 0 39. 3 50. 1 62. 4 76. 0 91. 1 s 5. 0 5. 8 6. 98 8. 70 11. 3 15. 0 20. 2 27. 1 36. 0 47. 0 61. 0 77. 7 Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 19

100 90 80 70 60 50 spazio 40 30 velocità 20 10 accelerazione 0 0 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 Piero Galeotti 1 1, 2 1, 4 1, 6 1, 8 tempo Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 2 2, 2 20

LA RELATIVITA` La relatività newtoniana e le trasformazioni galileiane: comportano: u = u’ + v y y' vt x Piero Galeotti x' Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 21

Per es. , un nuotatore si muova alla velocità costante v = 5 m/s e percorra un fiume in direzione della corrente (nei 2 versi) o in direzione perpendicolare alla corrente. Si ha: I tempi di percorrenza (A/R) sono: Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 22

Dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze La simultaneità è relativa d Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 23

La simultaneità è relativa La velocità della luce è costante (c = 300. 000 km/s) e non dipende dalla direzione del moto della Terra. Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 24

2 – velocità e accelerazione come grandezze vettoriali La velocità istantanea v cambia in modulo, direzione e verso per effetto di una accelerazione vettoriale istantanea a = dv/dt = at + ac, dove at è la componente tangenziale, diretta verso la direzione del moto, e ac è la componente centripeta, diretta verso il centro di curvatura del moto. Piero Galeotti ac Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 a at 25

La variazione di velocità può avvenire: • solo in modulo (moto rettilineo non uniforme, ac = 0), • solo in direzione e verso (moto circolare, at = 0), • oppure lungo entrambe le componenti. L’accelerazione totale a, in modulo, non è data da a = at + ac, ma da a = √(at 2 + ac 2). ac a at Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 26

Corpi in caduta libera Sulla Terra, tutti i corpi sono soggetti alla stessa accelerazione di gravità g, definita da un vettore diretto verso il centro della Terra e di modulo costante, circa 9, 8 m/s 2 sulla superficie terrestre. Per effetto della gravità, e trascurando la resistenza dell’aria, ogni corpo non vincolato è soggetto allo stesso tipo di moto (uniformemente accelerato) indipendentemente dal suo stato di moto iniziale. Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 27

Caduta di un corpo nel campo gravitazionale terrestre. L'accelerazione ha i valori seguenti: • modulo: a = g = 9, 8 m/s 2, • direzione: verticale, • verso: verso il basso. Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 28

Esempio di moto in 2 direzioni Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 29

Moto circolare uniforme E` un’altra importante applicazione del moto a due dimensioni. Un moto curvilineo lungo una circonferenza si dice circolare; se la velocità v varia solo in direzione e verso (ma non in modulo) il moto viene detto circolare uniforme. In questo caso l’accelerazione deve essere solo radiale o centripeta, e l’accelerazione tangenziale deve essere nulla: Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 30

Si noti che la definizione di accelerazione centripeta è vera anche per curve non circolari (per le quali R è variabile). Si definisce velocità angolare la quantità w = dq/dt [w viene misurata in rad/s]. Poichè ds = Rdq, e la velocita` sull’arco di circonferenza e` data da v = ds/dt, il legame tra velocità angolare e velocità tangenziale è: R P q ds (da cui ac = w 2 R). Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 31

Poichè R è costante in una circonferenza, il moto circolare è uniforme se w è costante. Nel moto circolare uniforme si definiscono il periodo T [s], e la frequenza (talvolta indicata con n, talvolta con f) n = 1/T [Hz]. Le grandezze fisiche variabili possono essere periodiche (per es. le funzioni sinusoidali) o aperiodiche. Una funzione può comunque essere sviluppata in una serie di funzioni periodiche, sinusoidali, mediante lo sviluppo in serie di Fourier. Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 32

Piero Galeotti Precorso di Fisica per Scienze Biologiche, a. a. 2006 -07 33