Fisica generale - Ingegneria edile/architettura
Programma A.A. 2006/2007
1
Meccanica
Metodo sperimentale. Misura delle grandezze fisiche. Grandezze scalari e vettoriali. Vettori. Operazioni con i vettori. Versori. Rappresentazione cartesiana dei vettori. Coseni
direttori. Operazioni con i vettori espressi in forma cartesiana. Vettori applicati e loro
momenti.
1.1
Cinematica
Il tempo e la sua misura. Le lunghezze e la loro misura. Posizione. Traiettoria. Equazione oraria. Coordinate polari cilindriche e sferiche. Definizione di velocità e accelerazione.
Espressione intrinseca dell’accelerazione. Moto rettilineo uniforme e uniformemente accelerato. Moto circolare uniforme. Moto armonico semplice. Velocità areolare. Moto dei
gravi. Formule di Poisson della cinematica. Moti relativi. Trasformazione della velocità e
dell’accelerazione. Vincoli e gradi di libertà. Definizione di corpo rigido. Cinematica del
corpo rigido.
1.2
Statica
Quiete ed equilibrio. Definizione statica di forza. Misura statica di una forza. Regole della
statica. Composizione di forze parallele. Centro di forza. Baricentro. Coppia di forze.
Equazioni cardinali della statica. Vincoli ideali e reazioni vincolari. Esempi di vincoli per il
punto materiale. Cerniera sferica ideale. Leva. Cerniera cilindrica ideale. Carrucola ideale.
Forza d’attrito.
1.3
Dinamica
Legge d’inerzia. Secondo principio della dinamica. Massa inerziale e sua misura. Definizione dinamica di forza e sua misura. Quantità di moto. Terzo principio della dinamica:
principio di azione e reazione. Principio di conservazione della quantità di moto. Teorema
dell’impulso. Forza peso. Momento della quantità di moto (momento angolare). Equazioni
cardinali della dinamica. Teorema di conservazione del momento angolare. Equivalenza
tra principio di azione e reazione e conservazione della quantità di moto e del momento
angolare. Forze centrali. Leggi di Keplero e legge della gravitazione universale (derivazione nell’ipotesi di orbita circolare). Massa inerziale e massa gravitazionale. Forza elastica.
Pendolo semplice. Sistemi di riferimento inerziali e non inerziali. Forze apparenti. Forza di attrito viscoso. Definizione di lavoro e integrale di linea. Teorema delle forze vive.
Energia cinetica. Potenza. Forze posizionali. Campi di forze scalari e vettoriali. Operatori
gradiente, divergenza, rotore. Circuitazione e flusso di un campo vettoriale. Teorema di
Stokes. Forze conservative. Le quattro proprietà delle forze conservative. Energia potenziale. Superfici equipotenziali. Energia meccanica. Principio di conservazione dell’energia
meccanica. Energia meccanica e forze non conservative. Equilibrio stabile, instabile e indifferente. Velocità di fuga. Definizione di centro di massa e sue proprietà. Il sistema di
riferimento del centro di massa. Teorema di König per l’energia cinetica. Urti.
2
Termodinamica
Stato termodinamico. Variabili di stato per un sistema idrostatico: volume, pressione e
temperatura. La pressione come grandezza scalare. Temperatura e sua misura empirica.
Scale Celsius e Kelvin. Equilibrio termico. Equilibrio termodinamico. Equazione di stato.
Equilibrio fra sistemi. Conduttori e isolanti. Principio zero della termodinamica. Gas
perfetti. Termometro a gas perfetto. Diagramma di Clapeyron. Trasformazioni quasistatiche, reversibili e irreversibili. Lavoro per sistemi idrostatici. Trasformazioni isocore,
isobare, isoterme, cicliche.
2.1
Calorimetria
Scambio di calore tra corpi. Capacità termica. Calore specifico. Calorimetro delle mescolanze. Cambiamenti di fase e calori latenti. Calori specifici e molari a pressione costante e
a volume costante.
2.2
Primo principio della termodinamica
Equivalenza calore-lavoro. Esperienza di Joule. Relazione calore-lavoro per trasformazioni
cicliche. Primo principio della termodinamica. Energia interna. Primo principio della
termodinamica e conservazione dell’energia. Moto perpetuo di prima specie. Secondo
esperimento di Joule ed energia interna di un gas ideale. Relazione di Mayer. Legge delle
adiabatiche reversibili. Esperienza di Clément e Desormes.
2.3
Secondo principio della termodinamica
Macchine termiche. Rendimento. Secondo principio della termodinamica. Postulati di
Kelvin e di Clausius. Moto perpetuo di seconda specie. Ciclo di Carnot. Teorema di Carnot. Equivalenza tra le formulazioni del secondo principio. Temperatura termodinamica
assoluta. Teorema di Clausius. Entropia. Principio dell’entropia. Energia utilizzabile. Variabili e funzioni di stato intensive ed estensive. Diagramma entropico. Entropia, disordine,
irreversibilità e freccia del tempo. Terzo principio della termodinamica.
3
Elettromagnetismo
Teorema di Helmholtz. Teorema di Gauss per il calcolo vettoriale.
3.1
Elettrostatica
Carica elettrica. Legge di Coulomb. Proprietà della carica elettrica. Densità di carica.
Campo elettrostatico. Lavoro delle forze elettrostatiche. Potenziale elettrostatico. Principio di sovrapposizione. Esperimento di Millikan. Leggi della circuitazione e del rotore per il
campo elettrostatico. Determinazione di campo elettrico e potenziale per una distribuzione
di carica lineare, indefinita e uniforme, per una distribuzione di carica piana e uniforme a
forma di disco, e per una distribuzione piana, indefinita e uniforme. Angolo solido. Legge
di Gauss e sue applicazioni per il calcolo del campo elettrico. Equazioni del campo elettrostatico: formulazioni integrale e locale. Equazioni di Poisson e Laplace. Dipolo elettrico.
Energia elettrostatica di una distribuzione sferica e uniforme di carica elettrica. Conduttori. Proprietà dei conduttori in equilibrio. Induzione elettrostatica. Schermo elettrostatico.
Capacità elettrica di un conduttore e di un sistema di conduttori. Condensatore piano.
Energia elettrostatica di un condensatore piano. Condensatori in serie e in parallelo. Corrente elettrica. Legge di Ohm. Resistenza. Resistori in serie e in parallelo. Densità di
corrente. Effetto Joule. Forza elettromotrice. Circuito RC.
3.2
Magnetostatica
Forza magnetica (legge di Ampère-Biot-Savart). Proprietà della forza magnetica. Campo
magnetico. Forza di Lorentz. Principio di sovrapposizione. Moto di una particella carica in
un campo magnetico uniforme e stazionario. Leggi di Laplace. Campo magnetico generato
da un filo rettilineo indefinito percorso da corrente costante. Spira circolare percorsa da
corrente costante. Dipolo magnetico. Definizione dell’ampère. Legge del flusso per il
campo magnetico: formulazioni integrale e locale. Legge di Ampère: formulazioni integrale
e locale. Applicazioni della legge di Ampère. Solenoide rettilineo indefinito.
3.3
Elettrodinamica
Induzione elettromagnetica. Forza elettromotrice indotta. Legge del flusso e legge di Lenz.
Legge di Faraday: formulazioni integrale e locale. Conservazione della carica elettrica.
Legge di Ampère-Maxwell. Equazioni di Maxwell: formulazioni integrale e locale. Onde:
generalità ed equazione delle onde. Equazione delle onde per i campi elettrici e magnetici. Coefficiente di autoinduzione. Autoinduzione. Forza controelettromotrice. Circuito RL. Energia magnetica di un solenoide. Circuito oscillante LC. Circuito RLC in corrente
alternata. Impedenza. Legge di Ohm generalizzata. Risonanza. Teorema di Poynting.
Testi consigliati
• Appunti dalle lezioni
• A. Bertin, M. Poli, A. Vitale, Fondamenti di Meccanica, Esculapio Editore (Progetto
Leonardo), Bologna
• A. Bertin, M. Poli, A. Vitale, Fondamenti di Termodinamica, Esculapio Editore
(Progetto Leonardo), Bologna
• A. Bertin, N. Semprini Cesari, A. Vitale, A. Zoccoli, Lezioni di Elettromagnetismo,
Esculapio Editore (Progetto Leonardo), Bologna
