FISICA I P - Z

Lo studente è tenuto a raggiungere i seguenti obiettivi formativi:

• saper applicare opportunamente le nozioni riguardanti le grandezze fisiche e l'analisi dimensionale;
• saper applicare il calcolo vettoriale nella risoluzione dei problemi fisici del mondo circostante;
• saper risolvere quesiti inerenti a problematiche di cinematica, statica e dinamica del punto materiale e del corpo rigido;
• saper applicare le conoscenze di fluidostatica e fluidodinamica a problemi reali;
• saper applicare i concetti fondamentali di termodinamica, quali calore e rendimento di macchine termodinamiche.

Lezioni frontali condotte dal docente in aula alla lavagna. Esercitazioni riguardanti lo svolgimento di problemi di tipologia similare a quella che verrà assegnata all'esame scritto.

Si richiedono i seguenti prerequisiti:

• abilità nel calcolo algebrico;
• dimestichezza con il calcolo differenziale;
• conoscenza della trigonometria;
• conoscenza delle principali leggi geometriche;
• dimestichezza con lo studio di funzioni matematiche.

Fortemente consigliata, ma non obbligatoria.

1) Grandezze Fisiche

Grandezze fisiche e loro misurazione. Dimensioni delle grandezze fisiche. Sistemi di unità di misura. Errori.

2) Calcolo vettoriale

Grandezze scalari e grandezze vettoriali. Notazioni e definizioni vettoriali. Somma e differenza di vettori. Prodotto di uno scalare per un vettore. Versori. Scomposizione di vettori. Prodotto scalare. Prodotto vettoriale. Rappresentazione cartesiana ortogonale. Equivalenza fra le rappresentazioni vettoriali. Espressioni cartesiane delle operazioni fra vettori. Derivate di vettori in forma cartesiana. Derivata di versori e di vettori. Vettore posizione e sistemi di coordinate.

3) Cinematica del punto materiale

Vettore spostamento, velocità istantanea e velocità media. Moto rettilineo uniforme. Vettore accelerazione istantanea e media. Moto uniformemente accelerato. Moto di caduta del grave. Combinazione di moti: il moto parabolico. Moti circolari.

4) Dinamica del punto materiale

Il concetto di forza in fisica. Leggi del moto e formulazione newtoniana della dinamica classica. Sistemi di riferimento inerziali e non inerziali. Forza peso. Forza d’attrito. Piano inclinato. Forza elastica. Forza di attrito viscoso. Tensione dei fili. Forze centripete. Pendolo semplice. Sistemi di riferimento inerziali, relatività galileiana. Sistemi di riferimento non inerziali, forze inerziali. Lavoro di una forza. Potenza. Teorema delle forze vive, energia cinetica. Lavoro della forza peso. Lavoro di una forza elastica. Lavoro di una forza di attrito radente. Forze conservative, energia potenziale. Conservazione dell’energia meccanica.

5) Dinamica dei sistemi

Sistemi di punti. Forze interne e forze esterne. Centro di massa di un sistema di punti. Teorema del moto del centro di massa. Conservazione della quantità di moto. Teorema del momento angolare. Conservazione del momento angolare. Energia meccanica dei sistemi di punti materiali. Teoremi di König. Definizione di corpo rigido e prime proprietà. Moto di un corpo rigido. Corpo continuo, densità, posizione del centro di massa. Rotazioni rigide attorno a un asse fisso in un sistema di riferimento inerziale. Momento di inerzia. Teorema di Huygens-Steiner. Pendolo composto. Moto di puro rotolamento. Conservazione dell’energia meccanica nel moto di un corpo rigido. Statica del corpo rigido. Urti tra due punti materiali. Urto completamente anelastico. Urto elastico. Urto anelastico. Urti tra punti materiali e corpi rigidi.

6) Proprietà meccaniche dei fluidi

Generalità sui fluidi. Pressione. Equilibrio statico di un fluido in presenza della forza peso. Principio di Archimede. Attrito interno, viscosità, fluido ideale. Moto di un fluido, regime stazionario, portata. Teorema di Bernoulli e sue applicazioni.

7) Termodinamica

Sistemi e stati termodinamici. Equilibrio termodinamico, principio dell’equilibrio termico. Temperatura e sua misurazione. Primo principio della termodinamica. Forme di energia. Energia interna. Forma generalizzata del primo principio della termodinamica. Trasformazioni termodinamiche. Calorimetria. Processi isotermi, cambiamenti di fase. Gas ideali. Termometro a gas ideale a volume costante. Trasformazioni di un gas. Lavoro. Calore e calori specifici. Energia interna del gas ideale. Primo principio per le trasformazioni di gas ideali. Relazione di Mayer. Studio di alcune trasformazioni: adiabatica, isoterma, isocora, isobara. Trasformazioni cicliche. Ciclo di Carnot. Ciclo di Stirling. Teoria cinetica dei gas. Enunciati del secondo principio della termodinamica. Reversibilità e irreversibilità. Teorema di Carnot. Temperatura termodinamica assoluta. Teorema di Clausius. La funzione di stato entropia. Il principio di aumento dell’entropia. Trasformazioni termodinamiche nel piano T-S. Calcoli di variazioni di entropia. Entropia del gas ideale. Energia inutilizzabile. Trasformazioni adiabatiche e entropia. Interpretazione statistica dell’entropia. Entropia e calore.

Il testo di riferimento del corso è:

Mazzoldi, Nigro, Voci: “Elementi di Fisica Vol. 1 – Meccanica e Termodinamica. Seconda edizione.” (EdiSES)

Testi aggiuntivi consigliati sono:

Halliday, Resnick, Krane: "Fisica Vol. 1." (CEA)

Focardi, Massa, Uguzzoni, Villa: “Fisica Generale. Meccanica e Termodinamica. Seconda edizione.” (CEA)

L'esame consiste in una prova scritta e una prova orale. La prova scritta consiste nella risoluzione di 5 problemi che riguardano le tematiche principali del corso: cinematica, dinamica del punto, dinamica dei sistemi, fluidi, termodinamica. Lo studente sarà ammesso all'orale solo previo superamento della soglia di 15/30 nella valutazione dell'esame scritto. L'esame orale consisterà nella discussione degli argomenti che sono stati trattati dal docente a lezione e che fanno parte del programma. Il voto finale terrà conto delle prove sostenute dai candidati.

- Discutere dei principi di conservazione dell'energia meccanica, della quantità di moto e del momento angolare.
- Descrivere il moto del pendolo semplice, del sistema massa molla e di un corpo rigido.
- Ricavare l'equazione di Bernoulli per un fluido ideale.
- Trattare i principi della termodinamica con le dovute applicazioni.
- Enunciare ed applicare il secondo principio della termodinamica.