27996 - FISICA GENERALE T-1

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente è educato al metodo scientifico-sperimentale, conosce i concetti fondamentali di meccanica e termodinamica e la loro trattazione formale, è capace di applicare le leggi fisiche alla soluzione di semplici problemi.

Contenuti

MECCANICA

Introduzione: il metodo sperimentale, introduzione generale alla fisica, l'assetto della fisica contemporanea, la meccanica.

Elementi di Algebra Vettoriale: Grandezze scalari e vettoriali. Definizione geometrica di vettore. Identità tra vettori. Definizione geometrica delle operazioni di somma e differenza tra vettori, moltiplicazione di un vettore per uno scalare, prodotto scalare, prodotto vettoriale. Versori. Terne cartesiane ortogonali, versori cartesiani, rappresentazione cartesiana dei vettori. Le operazioni tra vettori nella rappresentazione cartesiana. Terne ortogonali locali, coordinate cilindriche.

Cinematica: Il punto materiale, descrizione vettoriale del moto, descrizione intrinseca del moto.  Le unità di misura di spazio e tempo. Sistemi di unità di misura, dimensioni di una grandezza fisica, grandezze fisiche fondamentali e derivate, il Sistema Internazionale (SI). Definizione della velocità, unità di misura, rappresentazione nel sistema intrinseco, cartesiano e cilindrico. Definizione della accelerazione, unità di misura, rappresentazione nel sistema intrinseco, cartesiano e cilindrico. Analisi di alcuni tipi di moto: moto rettilineo uniforme, moto rettilineo uniformemente accelerato, moto circolare uniforme. Cambiamento del sistema di riferimento, trasformazione della posizione, relazioni di Poisson, trasformazione della velocità, trasformazione della accelerazione.

La Forza Statica: il concetto empirico di forza, la definizione operativa della forza statica, la costruzione della scala delle intensità della forza statica, il dinamometro, la taratura del dinamometro, unità di misura della forza (kgf), la natura vettoriale della forza. la definizione di equilibrio, principio della statica del punto materiale, lo studio statico delle forze: forze naturali, forza peso, reazioni vincolari, forza di attrito statico e dinamico, le forze inerziali, commenti sulla natura delle forza inerziali. Estensione della definizione di forza. 

Dinamica del Punto Materiale: Il punto materiale in assenza di forze: il primo principio della dinamica. Il punto materiale in presenza di forze: il secondo principio della dinamica, la massa inerziale, unità di misura della massa inerziale, nuova unità di misura della forza (SI). Estensione della definizione di forza. Definizione di quantità di moto, riformulazione del secondo principio della dinamica, definizione dell'impulso della forza, teorema dell'impulso. Definizione di momento di un vettore, momento della quantità di moto e della forza, teorema del momento della forza. L'espressione di alcune forze: la forza peso, la forza elastica, la resistenza viscosa ed idraulica, vincoli; la forza di gravitazione: le leggi di Keplero, interpretazione meccanica delle leggi di Keplero, il problema della azione a distanza, universalità della carica gravitazionale (massa gravitazionale), la relazione di proporzionalità tra massa gravitazionale e massa inerziale, l'espressione della forza di gravitazione, la costante di gravitazione, alcune conseguenze della forza di gravitazione; le forze inerziali: principio di Mach, sistemi di riferimento inerziali, la costruzione di un sistema di riferimento inerziale, l'espressione delle forze inerziali, esempi: ascensore in caduta libera, la superficie cilindrica rotante, forze inerziali nei sistemi terrestri.

Lavoro ed Energia: Definizione del lavoro elementare di una forza, lavoro lungo un cammino finito, unità di misura del lavoro. Teorema delle forze vive, energia cinetica. Potenza di una forza, unità di misura. Definizione di forza conservativa, il potenziale della forza, relazione tra forza e potenziale, condizioni per la esitenza del potenziale. La conservazione della energia meccanica. Calcolo di alcuni potenziali della forza: la forza peso, la forza di gravitazione, la forza elastica, la forza centrifuga.

Dinamica dei sistemi di punti materiali: Alcuni sistemi non separabili di punti materiali, caratteristiche generali delle forze in gioco, il principio di azione e reazione, forze interne ed esterne, la formulazione matematica del principio di azione e reazione. Le equazioni cardinali della meccanica. Sistemi isolati. Il centro di massa del sistema (CM), il riferimento del centro di massa (RCM), forze inerziali nel RCM, lemmi nel RCM, espressione della quantità di moto del sistema, espressione del momento della quantità di moto del sistema. Riformulazione delle equazioni cardinali.

Sistemi rigidi di punti materiali:   definizione di sistema rigido di punti materiali (SR), cinematica del sistema rigido, espressione della quantità di moto e del momento della quantità di moto del sistema rigido. La proiezione della seconda equazione cardinale sull'asse di rotazione indipendente dal tempo, proiezione della forza e del momento della quantità di moto, momento d'inerzia. Sistemi discreti e continui. Il lavoro delle forze sul SR, teorema delle forze vive per il SR, l' energia cinetica per il SR, il potenziale delle forze per il SR, espressione del potenziale della forza peso per il SR.


TERMODINAMICA

Introduzione alla termodinamica. Profilo storico, analisi di alcuni sistemi termodinamici, descrizione macroscopica e microscopica, concetti generali. Il linguaggio della termodinamica.  Sistema e ambiente termodinamico, coordinate termodinamiche, stato termodinamico, variabili intensive ed estensive. Il gas nel recipiente, coordinate termodinamiche, la pressione, unità di misura. Stato di equilibrio, trasformazione e stato di non equilibrio, trasformazione quasi statica. Le cause della trasformazione,  proprietà delle coordinate termodinamiche negli stati di equilibrio, non equilibrio e quasi equilibrio. Superfici di separazione sistema-ambiente. Lavoro elementare di un sistema idrostatico.

Equilibrio termico. Principio zero, costruzione della grandezza temperatura, calore e temperatura, stati di equilibrio, non equilibrio e quasi equilibrio e temperatura, la scala Celsius, termometro a mercurio.

Le leggi dei gas perfetti, deduzione della equazione di stato, la introduzione della scala Kelvin, classificazione delle trasformazione quasi statiche di un gas.

Il termometro a gas, caratteristica termometrica, punto triplo, termometro a volume costante, la scala Kelvin con il termometro a gas.

Il primo principio della termodinamica, il concetto di conservazione della energia, applicazione ai sistemi termodinamici. Proprietà del lavoro adiabatico, la funzione di stato energia interna,  il primo principio. Energia interna di un gas perfetto. Capacità termiche dei gas perfetti. Cenni di meccanica statistica. Trasformazioni adiabatiche quasi statiche di un gas perfetto.

Il secondo principio, la direzionalità delle trasformazioni termodinamiche,  trasformazioni reversibili e irreversibili, la causa della irreversibilità delle trasformazioni, principio di Kelvin-Plank, condizioni per la reversibilità delle trasformazioni. La schematizzazione delle trasformazioni termodinamiche, Serbatoi di calore, macchine termiche e frigorifere. Il secondo principio nella forma di Clausius.

Rendimento delle macchine termiche, macchine reversibili ed irreversibili, Teorema di Carnot. Temperatura termodinamica assoluta. Teorema di Clausius, trasformazioni reversibili ed entropia, trasformazioni irreversibili ed entropia. Formulazione del secondo principio della termodinamica attraverso il concetto di entropia.

Testi/Bibliografia

Fondamenti di Meccanica.
A. Bertin, M. Poli, A. Vitale.
Società editrice Esculapio s.r.l. - Progetto Leonardo - Bologna.

Problemi di Esame di Fisica Generale.
A. Bertin, S. De Castro, N. Semprini Cesari, A. Vitale, A. Zoccoli
Società editrice Esculapio s.r.l. - Progetto Leonardo - Bologna.

Metodi didattici

Lezioni frontali alla lavagna.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Prova scritta obbligatoria e prova orale.

Strumenti a supporto della didattica

Materiale didattico accessibile attraverso il sito del docente.

Link ad altre eventuali informazioni

http://ishtar.df.unibo.it/Uni/bo/ingegneria/all/semprini_cesari/stuff/homepage.htm

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Nicola Semprini Cesari