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Piero Galeotti

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

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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)

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INVITO ALLA FISICACosa 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...).

QUANTITA` MISURABILI

GRANDEZZE FISICHE

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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

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Cenni storiciCenni 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).


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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 ....


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La radioattività.La conoscenzadell'infinitamente piccolo(le particelle elementari e leloro interazioni) edell'infinitamente grande(la cosmologia e l'astrofisica)

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.

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La fisica classica studia fenomeni su scala umana, la fisica moderna studia anche l’infinitamente piccolo e l’infinitamente grande.

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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.

Grandezze fisiche eunità di misura

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Per le unità di misura delle grandezze si è adottato il Sistema Internazionale (S.I. o MKS metro-kilogrammo-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).

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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

Le unità fondamentali del S.I. sono riportate in tabella.

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Le grandezze fisiche possono essere scalari o vettoriali (per es. la velocità è definita da un modulo, una direzione e un verso).

Grandezze scalari e vettoriali

modulo

(lunghezza del segmento)

direzione (angolo rispetto sistema di riferimento scelto)

verso(punta della freccia)

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Il prodotto scalare (o interno) tra due vettori è una grandezza scalare c = a·b = ab cos (il prodotto scalare è nullo per = /2).Il prodotto vettoriale (o esterno) tra due vettori è una grandezza vettoriale c = a∧b di modulo c = ab sin,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 = 0).A differenza del prodotto scalare, per il prodotto vettoriale non vale la proprietà commutativa, ossia a∧b ≠ b∧a.

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IL MOVIMENTO

Cinematica

1 - velocità e accelerazione come grandezze scalari

• velocità media vm = s/t = s/t

velocità istantanea

• accelerazione media am = v/t

accelerazione istantanea

dt

dsv

2

2

dt

sd

dt

dva

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Nel S.I. le unità di misura della velocità e dell’accelerazione sono il

m/s e m/s2 rispettivamente.

Unità di misura

Tra i moti lungo una sola direzione sono particolarmente importanti i seguenti:

Infatti: 1km/h = 1000m/3600s = (1/3.6) m/s

Si noti che 1 m/s equivale a 3.6 km/h.

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Moto uniforme:

avviene a velocità

v = costante.

Ne seguono le espressioni per l’accelerazione:

a = 0

e per lo spazio:

s = s0 + vt

Per esempio...

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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?

km/h8,1662,0

4,10

h62,05,070

4,8

km4,100,24,8

t

xv

t

d

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avviene ad accelerazione

a = costante (positiva o negativa),

da cui si ottengono:

e espressioni equivalenti, per esempio, da

t = (v - v0)/a si ottiene:

a

vvs

a

vva

a

vvvss

22

1 20

2

02

200

00

221

00

0

attvss

atvv

Moto uniformemente vario:

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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 s0 = 0 per semplicità.

a

vvs

s

vvaasvv

2,

2,2

20

220

220

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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

Esempio di moto in una direzione

Sia lo spazio percorso s = 6t3 + 4t + 5 in direzione rettilinea. La velocità v = 18t2 + 4 e l’accelerazione a = 36t si ricavano per derivazione. Si ottengono cosi i valori riportati in tabella e figura seguenti.

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20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2

tempo

spazio

velocità

accelerazione

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x

yvt

LA RELATIVITA`LA RELATIVITA`

La relatività newtoniana e le trasformazioni galileiane:

comportano: u = u’ + v

ttvtxx ','

x'

y'

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mls

mv

100

3

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:

correntealla lareperpendico435

correntedella versonel835

correntecontro versonel235

22s

m

sm

sm

v

v

v

I tempi di percorrenza (A/R) sono:

svlt

svlt

504

200:rosso tratto

5,628

100

2

100: verdetratto

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d

La simultaneità è relativaLa simultaneità è relativa

Dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze

c

dt

20

202

12

21 tctvl

c

lt

2

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La velocità della luce è costante (c = 300.000 km/s) e non dipende dalla direzione del moto della Terra.

La simultaneità è relativaLa simultaneità è relativa

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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.

at

ac a

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at

ac a

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 = √(at2 + ac

2).

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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/s2 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.

Corpi in caduta libera

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Caduta di un corpo nel campo gravitazionale terrestre.

L'accelerazione ha i valori seguenti:• modulo: a = g = 9,8 m/s2, • direzione: verticale,• verso: verso il basso.

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Esempio di moto in 2 Esempio di moto in 2 direzionidirezioni

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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:

Moto circolare uniforme

0,2

dt

dva

R

vaa tc

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RP

ds

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 = d/dt [viene misurata in rad/s]. Poichè ds = Rd, e la velocita` sull’arco di circonferenza e`data da v = ds/dt, il legame tra velocitàangolare e velocitàtangenziale è:

Rdt

dRv

(da cui ac = 2R).

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Poichè R è costante in una circonferenza, il moto circolare è uniforme se è costante. Nel moto circolare uniforme si definiscono il periodo T [s], e la frequenza (talvolta indicata con , talvolta con f) = 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.

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