Programma del Corso di Fisica Generale I

Facolta` di Ingegneria - Corsi di Laurea in Ingegneria Civile, Edile, Meccanica, Navale, per l'Ambiente

A.A. 2000-01

Prof. Livio Lanceri

Preliminari matematici ed elementi di calcolo vettoriale

Elementi di Metrologia

Meccanica

• Cinematica della particella o punto materiale: Legge oraria del moto, velocita` scalare media, velocita` scalare istantanea come derivata, spazio percorso come integrale. Velocita` e accelerazione vettoriali. Esempi. Accelerazione tangenziale e centripeta. Velocita' areolare, velocita' angolare (vettoriale).
• Moti relativi: Velocita' relativa di due corpi, cinematica dei moti relativi, relazioni tra velocita` e accelerazioni rispetto a due sistemi di riferimento in moto relativo. Composizione di movimenti.
• Dinamica della particella: Il primo principio. Sistemi di riferimento inerziali. Principio di relativita` galileiana. Massa inerziale. Secondo principio e definizione dinamica di forza. Quantita` di moto. Forze fondamentali in natura: gravitazionale, elettromagnetica, forte, debole. Forze "fenomenologiche": attriti, reazioni elastiche. Terzo principio e conservazione della quantita` di moto per un sistema di due corpi. Misura di masse e forze. Integrazione delle equazioni del moto per ottenere la legge oraria, note le forze applicate per una particella. Esempi: caduta libera dei gravi, oscillatore armonico, pendolo; moto circolare, forza centripeta.
• L'attrito: Attrito statico e dinamico; coefficienti. Attrito viscoso nei fluidi, spazio d'arresto, velocita' limite.
• Gravitazione universale: Leggi di Keplero. Legge di gravitazione universale. Gravitazione terrestre al variare della distanza dalla superficie terrestre. Satelliti terrestri artificiali, periodo per orbite circolari, orbite geostazionarie.
• Dinamica nei riferimenti non inerziali: Sistemi di riferimento in moto traslatorio e arbitrario. Forze apparenti o fittizie nei riferimenti non inerziali. Forza centrifuga e forza di Coriolis. Effetti della rotazione terrestre per un osservatore solidale con la terra.
• Impulso, lavoro ed energia: Impulso e quantita' di moto, teorema dell'impulso. Lavoro di forze costanti e variabili. Integrale di linea. Potenza. Energia cinetica e teorema delle forze vive. Forze conservative ed energia potenziale. Esempi: forza di gravita`, forza elastica. Energia meccanica, conservazione dell'energia meccanica. Forze dissipative. Determinazione di una forza conservativa nota l'energia potenziale ad essa associata.
• Il momento angolare: Momento angolare di una particella rispetto a un polo. Momento di una forza rispetto a un polo. Seconda equazione cardinale del moto e conservazione del momento angolare. Applicazioni alle forze centrali. Esempi: campo gravitazionale; pendolo.
• Dinamica dei sistemi: Forze interne e forze esterne. Gradi di liberta` di un sistema. Sistemi di particelle. Prima e seconda equazione cardinale del moto. Centro di massa e teoremi relativi: moto del c.m., scomposizione dell'energia cinetica e del momento angolare. Sistemi a due corpi e massa ridotta. Estensione delle proprieta` discusse ai sistemi continui.
• Dinamica dell'urto: Urti elastici ed anelastici, per corpi liberi e in presenza di vincoli. Forze impulsive e non, applicazione dei teoremi di conservazione. Esempi.
• Dinamica e statica del corpo rigido: Moto rotatorio e traslatorio, gradi di liberta', equazioni cardinali del moto. Casi particolari: rotazione rispetto ad asse fisso, momento d'inerzia, momenti assiali (angolare e delle forze esterne applicate). Calcolo dei momenti d'inerzia, teorema di Huygens-Steiner. Lavoro ed energia per rotazioni con asse fisso. Teoremi di conservazione. Reazioni vincolari, nei moti con asse fisso, esempi. Moti roto-traslatori: puro rotolamento, esempi ed applicazioni. Cenni al caso generale di moto non vincolato. Statica del corpo rigido come caso particolare di applicazione delle equazioni cardinali. Cenni sulle proprieta' dei sistemi di vettori applicati.
• Proprieta` elastiche dei corpi (cenni): Elasticita' per compressione e trazione, legge di Hooke, modulo di Young e sua misura.
• Statica e dinamica dei fluidi: Fluidi ideali. Forze di volume e forze di superficie. Pressione e variazione della pressione all'interno di un fluido in condizioni statiche: legge di Stevino in presenza di forza di gravita` e di altre forze di volume p.es. apparenti). Variazione della pressione con la quota in una atmosfera isoterma. Legge di Archimede e galleggiamento. Misura della pressione. Dinamica dei fluidi ideali. Linee e tubi di flusso. Portata, equazione di continuita'. Teorema di Bernoulli. Esempi e applicazioni. Moto dei fluidi reali, coefficiente di viscosita', legge di Poiseuille, numero di Reynolds.

Termodinamica

• Termometria e calorimetria: Scale termometriche empiriche, scala Celsius. Termometri a gas e scala assoluta delle temperature. Scala Kelvin. Dilatazione termica dei gas, dei liquidi e dei solidi. Calori specifici e quantita` di calore. Calorimetria; calorimetro di Regnault. Calori latenti. Propagazione del calore (cenni): conduzione, convezione, irraggiamento.
• Gas ideali e gas reali: Equazione di stato dei gas ideali o perfetti. Capacita` termiche molari dei gas: definizioni e dati sperimentali. Le isoterme di un gas reale; equazione di stato di Van der Waals. Fasi (solida, liquida, aeriforme) e transizioni di fase; punto triplo.
• La teoria cinetica dei gas: Interpretazione cinetica della pressione e della temperatura assoluta di un gas ideale. Distribuzione maxwelliana delle velocita`. Energia interna e capacita` termiche dei gas ideali nell'interpretazione cinetica.
• Trasformazioni termodinamiche e primo principio della termodinamica: Stato termodinamico di un sistema, trasformazioni reversibili e irreversibili. Esempi di trasformazioni, loro rappresentazione. Lavoro termodinamico. Lavoro meccanico e scambi di calore. Il primo principio per trasformazioni cicliche e non. Energia interna di un sistema come funzione di stato.
• Applicazioni del primo principio ai gas ideali: Espansione libera di un gas ideale; energia interna. Relazione di Meyer. Trasformazioni adiabatiche reversibili. Trasformazioni isoterme, isobare, isocore. Macchine termiche; diagrammi di flusso energetico e rendimento. Macchine frigorifere e pompe di calore. Ciclo di Carnot.
• Il secondo principio della termodinamica: Secondo principio: enunciati di Clausius e di Lord Kelvin, loro equivalenza. Teorema di Carnot. Irreversibilita` dei processi: sistema e ambiente. Temperatura termodinamica assoluta e irraggiungibilita' dello zero assoluto.
• L'entropia: Disuguaglianza di Clausius. Definizione di entropia come funzione di stato. Esempi di calcolo di variazione di entropia per trasformazioni reversibili e irreversibili. Diagrammi entropici. Conseguenze della disuguaglianza di Clausius; formulazione del secondo principio in termini di variazione di entropia. Accrescimento dell'entropia in un sistema isolato. Significato fisico dell'entropia: entropia e disordine (cenni sulla probabilita` termodinamica di uno stato), variazione di entropia come lavoro inutilizzato. Esempi e applicazioni.

Esercitazioni

Testi consigliati

• Meccanica e Termodinamica:
  • Halliday-Resnick-Walker, Fondamenti di Fisica, Casa Editrice Ambrosiana, Milano.
  • S.Focardi, I.Massa, A.Uguzzoni, Fisica Generale - Meccanica e Termodinamica, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 1999.
• Laboratorio e teoria degli errori:
  • Taylor J.R., Introduzione all'analisi degli errori, Zanichelli Editore, Bologna, 1999.
  • P.Ciuti, A.Lavenia, Guida alle esercitazioni di Fisica I, Libreria Goliardica, Trieste.
  • M.Fazio, Dizionario e manuale delle unita' di misura, Zanichelli, Bologna.
• Problemi risolti:
• P.Ciuti, R.Nabergoj, Problemi di Fisica Generale, Libreria Goliardica, Trieste.