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Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione I FISICA APPLICATA Dott. Marta Ruspa [email protected] 0321/660669 011/6707310 1 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione I CORSO INTEGRATO DI SCIENZE FISIOLOGICHE Discipline: FISICA APPLICATA FISIOLOGIA (prof. Molinari) 2 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Le discipline di FISICA e FISIOLOGIA possono essere sostenute separatamente nei 4 appelli del 2012, ma entro settembre va completato il corso integrato Chi non completasse il corso integrato entro settembre e avesse sostenuto una delle due materie perdera’ la materia acquisita Lezione I 3 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa APPELLI 2013 6 febbraio 21 febbraio 17 giugno 4 settembre 12 settembre SARETE CONVOCATI IN ORARI DIVERSI SEDE PER SEDE E CORSO DI LAUREA Sara’ possibile registrare il corso integrato in giorni prestabiliti (NON su appuntamento individuale con i docenti) Lezione I 4 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione I ESERCITAZIONI Sono previste ore di esercitazione dedicate per corso di laurea e per sede (con docente dal vivo nelle varie sedi) Calendario disponibile a breve 5 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MATERIALE DIDATTICO Testo consigliato: “Elementi di Fisica” V. Monaco, R. Sacchi, A. Solano Laurea Infermieristica MC Graw Hill Editore Altri testi indicati sul sito WWW descritto qui sotto Pagina WWW aggiornata (con tutte le lezioni) http://www.to.infn.it/~ruspa/didattica raggiungibile anche come segue Lezione I 6 Lezione I 7 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione I 8 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MATEMATICA DI BASE CHE OCCORRE CONOSCERE • Numeri relativi ed operazioni con i medesimi • Frazioni • Potenze e relative proprieta’ • Monomi, polinomi, espressioni algebriche • Potenze di dieci e notazione scientifica • Soluzione di equazioni di primo grado • Proporzioni • Percentuali • Richiami di geometria piana e solida • Conversioni tra unità di misura Materiale del corso di potenziamento formativo sostenuto dagli studenti di Infermieristica disponibile in rete - puo’ essere utile anche come ripasso per chi non ha seguito il corso Lezione I 9 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LA FISICA COME SCIENZA SPERIMENTALE Studio di un fenomeno OSSERVAZIONI SPERIMENTALI IPOTESI VERIFICA LEGGI FISICHE Lezione I MISURA DI GRANDEZZE FISICHE Relazioni matematiche tra grandezze fisiche 10 Lezione I Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CHE COSA E’ UNA GRANDEZZA FISICA? 11 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione I CHE COSA E’ UNA GRANDEZZA FISICA? TUTTO CIO’ CHE E’ MISURABILE L’OPERAZIONE DI MISURA DEFINISCE OPERATIVAMENTE UNA GRANDEZZA FISICA 12 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa GRANDEZZE FISICHE CHE COSA SIGNIFICA MISURARE? Confrontare la grandezza fisica in questione con una grandezza campione di riferimento Lezione I 13 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa GRANDEZZE FISICHE CHE COSA SIGNIFICA MISURARE? Confrontare la grandezza fisica in questione con una grandezza campione di riferimento Espressione di una grandezza fisica: Numero + unità di misura Rapporto tra la grandezza e il campione di riferimento Lezione I 14 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa GRANDEZZE FISICHE CHE COSA SIGNIFICA MISURARE? Confrontare la grandezza fisica in questione con una grandezza campione di riferimento Espressione di una grandezza fisica: Numero + unità di misura Rapporto tra la grandezza e il campione di riferimento Misura diretta: Confronto diretto con il campione (es. misura di lunghezza con un metro graduato) Misura indiretta: Misura di una grandezza legata a quella da misurare attraverso una relazione nota (es. misura di tempo con una clessidra) Lezione I 15 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa GRANDEZZE FISICHE FONDAMENTALI Tutte le grandezze fisiche possono essere espresse in funzione di un insieme limitato di grandezze fondamentali Grandezze fisiche fondamentali Lunghezza Tempo Massa Intensità di corrente Temperatura [L] [t] [M] [i] [T] Un sistema di unità di misura definisce le grandezze fisiche fondamentali e i corrispondenti campioni unitari (unità di misura). Le unità di misura per le grandezze fisiche derivate si ricavano corrispondentemente Lezione I 16 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa SISTEMA INTERNAZIONALE (S.I.) Grandezza fisica fondamentali Unità di misura Grandezze fisiche Lunghezza Tempo Massa Intensità di corrente Temperatura Lezione I [L] [t] [M] [i] [T] metro secondo chilogrammo ampere grado Kelvin (m) (s) (kg) (A) (K) 17 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa GRANDEZZE FISICHE DERIVATE Le rimanenti grandezze fisiche sono derivate a partire dalle grandezze fondamentali mediante relazioni analitiche (molte delle quali studieremo in questo corso) Alcuni esempi: Superficie (lunghezza)2 Volume (lunghezza)3 Velocità (lunghezza/tempo) Accelerazione (velocità/tempo) Forza (massa*accelerazione) Densità (massa/volume) Pressione (forza/superficie) ........... [L]2 m2 [L]3 m3 [L][t]-1 m·s-1 [L][t]-2 m·s-2 [M][L][t]-2kg·m·s-2 [M][L]-3 kg·m-3 [M][L]-1[t]-2 kg·m-2·s-2 Tutte le formule che studieremo nel corso andranno applicate dopo aver espresso le varie grandezze fisiche nel S.I. Lezione I 18 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione I NOTAZIONE SCIENTIFICA Grandezze fisiche molto grandi o molto piccole si possono esprimere facendo uso della notazione scientifica In notazione scientifica un numero si esprime come prodotto di una cifra compresa tra 0,1 e 10 x una potenza di 10 5,738 · 103 19 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa NOTAZIONE SCIENTIFICA Grandezze fisiche molto grandi o molto piccole si possono esprimere facendo uso della notazione scientifica In notazione scientifica un numero si esprime come prodotto di una cifra compresa tra 0,1 e 10 x una potenza di 10 5,738 · 103 Esempi: 800 = ? 4765 = ? l = 345000 m =? l = 0,00038 m = ? Massa della Terra = 5.980.000.000.000.000.000.000.000 kg = ? Lezione I Massa di un elettrone = 0,0000000000000000000000000000009109 kg =? 20 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa NOTAZIONE SCIENTIFICA Grandezze fisiche molto grandi o molto piccole si possono esprimere facendo uso della notazione scientifica In notazione scientifica un numero si esprime come prodotto di una cifra compresa tra 0,1 e 10 x una potenza di 10 5,738 · 103 Esempi: 800 = 8·102 4765 = 4,765·103 l = 345000 m = 3,45·100000 m = 3,45·105 m l = 0,00038 m = 3,8·0,0001 m = 3,8·10-4 m Massa della Terra = 5.980.000.000.000.000.000.000.000 kg = 5,98·1024 kg Lezione I Massa di un elettrone = 0,0000000000000000000000000000009109 kg = 9,11·10-31 kg 21 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione I Grandezze fisiche molto grandi o molto piccole si possono esprimere facendo uso della notazione scientifica In alternativa o a complemento della notazione scientifica si utilizzano multipli e sottomultipli Le due soluzioni proposte sono legate perche’ i prefissi che identificano multipli e sottomultipli corrispondono a varie potenze di dieci 22 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MULTIPLI e SOTTOMULTIPLI Prefisso Simbolo Fattore di moltiplicazione Prefisso Simbolo Fattore di moltiplicazione tera T 1012 deci d 10-1 giga G 109 centi c 10-2 mega M 106 milli m 10-3 kilo k 103 micro µ 10-6 etto h 102 nano n 10-9 deca da 101 pico p 10-12 Es: 1 m 1 km = 103 m 1 Mm = 106 m 1 Gm = 109 m 1 dm = 10-1 m 1 cm = 10-2 m 1 mm = 10-3 m 1 µm = 10-6 m 1 nm = 10-9 m 1 pm = 10-12m (1 mm = 1/1000 m = 1/103 m = 10-3 m) Lezione I 23 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione I Esercizi 103 l = 1 kl 103 m = 1 km 103 byte = 1 kbyte 1 µ = 10-6 m 57 Tbyte = 57 x 1012 byte 21 Mbyte = 21 x 106 byte 3 kg = 3 x 103 g 14 dm = 10-7 Mm 103 cl = 10 l 0.007 kPa = 7 Pa 220 mV = 0.22 V 2000 ohm = 2 kohm 157 kcal = 157000 cal 0.11 mA = 0.11 x 10-6 kA 24 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizi 98 mg/dl = 98 x 10-2 kg/m3 1.3 g/cm3 = 1.3 x 103 kg/m3 Il referto di un’esame del sangue riporta un V.E.S. di 72 mm/h. Si esprima la V.E.S. nel S.I. [R. 2 x 10-6 m/s] Una cellula sferica ha il diametro di 20 µ. Qual e’ il volume della cellula in cm3? [R. 4 x 10-9 cm3] 25 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa 21 m/s = ? km/h [R = 75,6 km/h] 1024 cm/min = ? km/s [R = 17x1016 km/s] 10-6mm/min = ? m/s [R = 17x10-12 m/s] 0.14 km/h = ?m/s [R = 3.9x10-2 m/s] 26 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Alla stessa grandezza possono corrispondere unita’ di misura differenti perche’ appartenenti a diversi sistemi di unita’ di misura (per esempio il volume si puo’ misurare in litri e in m3) Esistono unita’ di misura pratiche, utilizzate specificamente in certi ambiti (medicina, meteorologia, …) Per esempio in ambito medico e’ d’uso esprimere le pressioni in mmHg e non nell unita’ di misura del S.I. (che come vedremo si chiama Pascal) Tutte le formule che studieremo nel corso andranno applicate dopo aver espresso le varie grandezze fisiche nel S.I. , utilizzando le apposite leggi di conversione 27 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FATTORI DI CONVERSIONE 1 l = 1 dm3 1 kcal = 4186 J 1 atm = 105 Pa = 760 mmHg 1 eV = 1.6 x 10-19 J 28 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LA FISICA COME SCIENZA SPERIMENTALE Studio di un fenomeno OSSERVAZIONI SPERIMENTALI IPOTESI MISURA DI GRANDEZZE FISICHE VERIFICA LEGGI FISICHE Relazioni matematiche tra grandezze fisiche In fisica si usa un linguaggio matematico !!! 29 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CHE COSA E’ UNA LEGGE FISICA? Relazione matematica tra grandezze fisiche, ovvero uguaglianze tra espressioni algebriche letterali in cui ogni grandezza e’ identificata da un proprio simbolo 1. Tutti i termini devono avere le stesse dimensioni fisiche (monomi simili!) 2. Tutte le grandezze vanno espresse in un sistema di unita’ di misura coerente 30 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa p + ½ dv2 + dgh = cost 31 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa p + ½ dv2 + dgh = cost p e’ una pressione dv2 e dgh DEVONO avere le DIMENSIONE FISICHE di una pressione p, dv2 e dgh DEVONO essere espressi in una stessa unita’ di misura (es. Pa) 32 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa GRANDEZZE SCALARI E VETTORIALI Grandezze scalari: caratterizzate da un numero Es: tempo, temperatura, massa Grandezze vettoriali: caratterizzate da un modulo, una direzione e un verso Es: spostamento, velocità, accelerazione direzione verso modulo modulo del vettore v : v = |v| Es: |v| = 100 m/s → v punto di applicazione Vettori uguali Vettori opposti 33 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MECCANICA Cinematica: moto dei corpi Dinamica: cause del moto Statica: equilibrio dei corpi 34 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MASSA e DENSITA’ Corpo: qualsiasi porzione di materia 35 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MASSA e DENSITA’ Corpo: qualsiasi porzione di materia Massa: quantita’ di materia di un corpo. >> Simbolo: m >> Unita’ di misura nel S.I.: [kg] 36 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MASSA e DENSITA’ Corpo: qualsiasi porzione di materia Massa: quantita’ di materia di un corpo. >> Simbolo: m >> Unita’ di misura nel S.I.: [kg] Densita’: rapporto tra la massa e il volume >> Simbolo: d d = m/V >> Unita’ di misura nel S.I.: [kg/m3] 37 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Considereremo il corpo come un punto materiale nel quale e’ concentrata tutta la massa del sistema Lavoreremo in un’unica dimensione, ovvero in un sistema di riferimento unidimensionale O Attenzione: sul lbro di testo il moto e’ descritto in 3 dimensioni 38 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POSIZIONE P O 39 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POSIZIONE P O x Unita’ di misura nel S.I.: [m] 40 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POSIZIONE P O x Unita’ di misura nel S.I.: [m] Legge oraria P1 t1 x1 P2 t2 x2 P3 t3 x3 x3 P3 x2 x1 P2 P1 t1 t2 t3 Funzione che esprime la variazione della posizione nel tempo 41 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa SPOSTAMENTO O P1 P2 x1 x2 42 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa SPOSTAMENTO P1 O x1 P2 x2 – x1 x2 Unita’ di misura nel S.I.: [m] P1 t1 x1 P2 t2 x2 Δx = x2 – x1 Δt = t2 – t1 43 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa SPOSTAMENTO P1 O x1 P2 x2 – x1 x2 Unita’ di misura nel S.I.: [m] P1 t1 x1 P2 t2 x2 Δx = x2 – x1 Δt = t2 – t1 Traiettoria: ovviamente rettilinea, percorso 44 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa € VELOCITA’ MEDIA vm P1 O x1 P2 x2 – x1 x2 Δx vm = spostamento/ tempo = Δt P1 t1 x1 P2 t2 x2 Δx = x2 – x1 Δt = t2 – t1 Unita’ di misura nel S.I.: [m/s] 45 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ACCELERAZIONE MEDIA am P1 O x1 P2 x2 – x1 x2 Δv a m = var.velocita'/ tempo = Δt P1 t1 x1 v1 P2 t2 x2 v2 Δx = x2 – x1 Δt = t2 – t1 Δv = v2 – t1 € Unita’ di misura nel S.I.: [m/s/s] = [m/s2] 46 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Spesso, anziche’ riferirsi a due istanti t1 e t2, ci si riferisce ad un istante iniziale t0 e ad un secondo istante qualsiasi t t0 x0 v0 t x v Δx = x – x0 Δt = t – t0 Δv = v – v0 47 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MOTO RETTILINEO UNIFORME v = costante a=0 v = cost ( x-xo)/t = cost x = xo + v·t 48 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MOTO RETTILINEO UNIFORME v = costante a v t a=0 v = cost ( x-xo)/t = cost x = xo + v·t t x xo t 49 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MOTO RETTILINEO UNIFORME Esempio: v=5 m s xo = 3 m Spazio percorso dopo Δt=10 s ? € a=0 v = cost x = x0 + v·t x= 3m + 5 m ⋅ 10 s = 53 m s € 50 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MOTO RETTILINEO UNIFORMEMENTE ACCELERATO a = costante v - v0 t → v = vo + a ⋅ t 1 → x = x o + vo t + at 2 2 a = cost = € 51 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa € MOTO RETTILINEO UNIFORMEMENTE ACCELERATO a = costante a t v - v0 t → v = vo + a ⋅ t 1 → x = x o + vo t + at 2 2 v a = cost = vo t x xo t 52 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa SIAMO TUTTI UNIFORMEMENTE ACCELERATI! Tutti i corpi sulla Terra sono sottoposti ad un’accelerazione costante verso il basso (centro della Terra), che origina dall’attrazione gravitazionale tra masse di cui parleremo in seguito 53 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CADUTA IN UN GRAVE IN ASSENZA DI ATTRITO Accelerazione di gravità Vo = 0 a=g v = g⋅t h x − x0 = h = 1 g⋅ t2 2 € Esempio: h = 10 m 54 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa DINAMICA 55 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PRINCIPI DELLA DINAMICA I PRINCIPIO (PRINCIPIO DI INERZIA): un corpo su cui non agiscano forze o la risultante delle forze agenti sia nulla permane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme 56 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FORZA È quella grandezza fisica che, applicata ad un corpo, F a) ne causa la variazione della condizione di moto, oppure b) ne provoca la deformazione. È una grandezza vettoriale ! Esempio: composizione di due forze. F1 R F2 R è chiamata risultante delle forze applicate al corpo. 57 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FORZA È quella grandezza fisica che, applicata ad un corpo, F a) ne causa la variazione della condizione di moto, oppure b) ne provoca la deformazione. È una grandezza vettoriale ! Esempio: composizione di due forze. F1 R F2 R è chiamata risultante delle forze applicate al corpo. 58 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PRINCIPI DELLA DINAMICA II PRINCIPIO (LEGGE di NEWTON): Forza =massa × accelerazione F=m×a Un corpo soggetto a una forza o a un insieme di forze a risultante non nulla accellera proporzionalmente alla forza applicata >> Unita’ di misura nel S.I.: [kg x m/s2] = [N] Newton 1 N = 1 kg x 1 m/s2 59 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FORZA DI GRAVITA’ o FORZA PESO Forza peso = massa × accelerazione di gravita’ FP = m × g FP 60 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa DIFFERENZA TRA MASSA E PESO ATTENZIONE alla differenza tra massa e peso: benche’ nel linguaggio comune si utilizzino entrambi i termini con lo stesso significato (riferendosi alla massa propriamente detta), in Fisica massa e peso sono due grandezze differenti: – la massa come visto e’ la quantita’ di materia di un corpo e si misura in kg – il peso come visto e’ una forza e si misura pertanto in Newton – il peso di un corpo si ottiene dalla massa del corpo medesimo moltiplicata per l’accelerazione di gravita’ g 61 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizio Si determini il peso di 8 ml di mercurio (densita’ del mercurio: 13.6 x 103 kg/m3) [R. circa 1 N] 62 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FORZA DI GRAVITA’ o FORZA PESO Forza peso = massa × accelerazione di gravita’ FP = m × g FP Da dove origina la forza di gravita’? 63 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FORZA DI GRAVITA’ o FORZA PESO Forza peso = massa × accelerazione di gravita’ FP = m × g FP Forza di gravitazione universale m1 m 2 Fg = G d2 m1 F d F m2 € 64 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FORZA DI GRAVITA’ o FORZA PESO Forza peso = massa × accelerazione di gravita’ FP = m × g FP Forza di gravitazione universale m1 m 2 Fg = G d2 m m1 F F Terra mT d F m2 € 65 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FORZA DI GRAVITA’ o FORZA PESO Forza peso = massa × accelerazione di gravita’ FP = m × g FP Forza di gravitazione universale m1 m 2 Fg = G d2 m m1 F F Terra mT d F MT m F = G 2 RT m2 € € 66 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FORZA DI GRAVITA’ o FORZA PESO Forza peso = massa × accelerazione di gravita’ FP = m × g FP Forza di gravitazione universale m1 m 2 Fg = G d2 m m1 F F Terra mT d F m2 MT m F = G 2 RT € g = 9,8 m/s2 € 67 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FORZA DI GRAVITA’ o FORZA PESO Forza peso = massa × accelerazione di gravita’ FP = m × g FP Forza di gravitazione universale m1 m 2 Fg = G d2 m m1 F F Terra mT d F m2 € g = 9,8 m/s2 68 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa TANTI TIPI DI FORZE Forza centripeta Forza di reazione vincolare Forza di attrito Forza elastica Forza elettrica …. 69 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LAVORO DI UNA FORZA F m F s F θ F// Δs L = F// ⋅ Δs >> Unita’ di misura nel S.I.: [N x m] = [J] Joule € 1J = 1kg × 1m2/1s2 70 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LAVORO DI UNA FORZA F m F s F θ F// Δs L = F// ⋅ Δs La quantita’ di lavoro ottenibile da una forza dipende dalla direzione relativa della forza e dello spostamento >> Unita’ di misura nel S.I.: [N x m] = [J] Joule € 1J = 1kg × 1m2/1s2 71 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LAVORO DI UNA FORZA F m F s F F θ F// Δs L=F·Δs Δs L = F// ⋅ Δs F Δs L=0 La quantita’ di lavoro ottenibile da una forza dipende dalla direzione relativa della forza e dello spostamento >> Unita’ di misura nel S.I.: [N x m] = [J] Joule € 1J = 1kg × 1m2/1s2 72 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LAVORO DI UNA FORZA F m F s F F θ F// Δs L=F·Δs Δs L = F// ⋅ Δs F Δs L=0 La quantita’ di lavoro ottenibile da una forza dipende dalla direzione relativa della forza e dello spostamento >> Unita’ di misura nel S.I.: [N x m] = [J] Joule € 1J = 1kg × 1m2/1s2 73 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ENERGIA • Rappresenta la capacità che un corpo ha di compiere lavoro. • Concetto comune a molti campi della fisica, può presentarsi in molteplici forme: • energia associata a un corpo in movimento (energia cinetica) • energia associata alla posizione di un corpo (energia potenziale) • energia di legame molecolare (energia chimica) • energia associata alla massa (energia nucleare, E=mc2) • energia termica e calore • ......... • Ogni processo naturale coinvolge trasformazioni di energia. • In un sistema isolato l’energia totale si conserva sempre (principio di conservazione dell’energia). >> Unita’ di misura nel S.I.: [N x m] = [J] Joule 1J = 1N × 1m = 1kg × 1m/s2 × 1m = 1kg × 1m2/1s2 74 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ENERGIA POTENZIALE GRAVITAZIONALE Un corpo sollevato ad altezza h possiede la capacita’ di compiere lavoro in virtu’ del proprio peso Il lavoro di caduta si chiama energia potenziale gravitazionale e non e’ altro che il lavoro della forza peso 75 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ENERGIA POTENZIALE GRAVITAZIONALE Un corpo sollevato ad altezza h possiede la capacita’ di compiere lavoro in virtu’ del proprio peso Il lavoro di caduta si chiama energia potenziale gravitazionale e non e’ altro che il lavoro della forza peso EP = LFP = F × s = F × h = mgh 76 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ENERGIA CINETICA Un corpo che si muove a velocita’ v possiede in virtu’ della sua velocita’ la capacita’ di compiere un lavoro (per esempio se va a sbattere) v m EC = ½ mv2 77 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizo Si verifichi che l’unita’ di misura dell’energia potenziale e dell’energia cinetica e’ il Joule Si calcoli l’energia cinetica di un corpo di 27 kg che si muove alla velocita’ di 120 km/h [R. 14 x 103 J] 78 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POTENZA MECCANICA La potenza rappresenta il lavoro compiuto da una forza nell’unità di tempo L P= Δt >> Unita’ di misura nel S.I.: [J/s] = [W] Watt 1 W = 1J/1s € 79 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FENOMENI ELETTRICI 80 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa L'atmosfera è continuamente sede di fenomeni elettrici e magnetici che vanno dal semplice accumulo di cariche elettrostatiche alle scariche dei fulmini durante i temporali Nelle giornate secche e ventose l'accumulo di cariche elettrostatiche sugli abiti o sugli oggetti può portare alla creazione di differenze di potenziale il cui effetto si sente sotto forma di piccole correnti L’ipotesi e lo studio delle proprieta’ elettriche e magnetiche della materia si sviluppo’ a partire dall’osservazione di questi fenomeni che non trovavano spiegazione nella fisica allora nota (meccanica classica) 81 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CARICA ELETTRICA Tutto ciò che ha a che fare con l’elettricità trae origine da una proprietà della materia chiamata carica elettrica (simbolo q) In natura esistono due tipi di carica elettrica: positiva e negativa. Sperimentalmente si osserva che cariche uguali si respingono, cariche opposte si attraggono >> Unita’ di misura nel S.I.: Coulomb [C] 82 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa DOVE SI TROVA LA CARICA ELETTRICA? 83 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa DOVE SI TROVA LA CARICA ELETTRICA? NEGLI ATOMI Elettroni Nucleo 84 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa DOVE SI TROVA LA CARICA ELETTRICA? NEGLI ATOMI Elettroni Nucleo DI CHE COSA SIAMO FATTI? 85 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa DOVE SI TROVA LA CARICA ELETTRICA? NEGLI ATOMI Elettroni Nucleo DI CHE COSA SIAMO FATTI? DI ATOMI 86 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FENOMENI ELETTRICI ALLA BASE DELLA MATERIA VIVENTE E NON Forze elettriche tengono legati gli elettroni in un atomo e gli atomi in una molecola determinando le proprieta’ chimiche di tutte le sostanze Elettroni Nucleo Nei sistemi biologici la forza elettrica interviene nella trasmissione degli impulsi nervosi, nella contrazione delle fibre muscolari, nei meccanismi di trasferimento cellulare 87 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa L’ATOMO Nel suo stato normale, un atomo contiene lo stesso numero di protoni e di elettroni, ed è quindi elettricamente neutro Per esempio un atomo di ossigeno è costituito da un nucleo con 8 protoni e 8 neutroni intorno a cui orbitano 8 elettroni. La carica sua totale è quindi Q = 8x(1.6 10-19 C) + 8x(-1.6 10-19 C) + 8x0 C = 12.8 10-19 C - 12.8 10-19 C = 0 C 88 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CARICA ELETTRICA Tutto ciò che ha a che fare con l’elettricità trae origine da una proprietà della materia chiamata carica elettrica (simbolo q) In natura esistono due tipi di carica elettrica: positiva e negativa Sperimentalmente si osserva che cariche uguali si respingono, cariche opposte si attraggono >> Unita’ di misura nel S.I.: Coulomb [C] La carica elettrica non si crea ne’ si distrugge ma si trasferisce da un corpo all’altro Corpi carichi: negativamente ⇒ eccesso di elettroni positivamente ⇒ carenza di elettroni Corpi neutri: equilibrio tra cariche positive e cariche negative 89 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CARICA ELETTRICA DI UN CORPO Poiché la carica elettrica Q di un corpo rappresenta un eccesso o un difetto di elettroni, Q sarà sempre uguale ad un multiplo intero (positivo o negativo) della carica dell’elettrone (qe) |qe| = 1.6 · 10-19 C Esercizio Una bacchetta di vetro strofinata con un panno acquista una carica elettrica Q=3.2·10-10 C. Quanti elettroni si trasferiscono dal vetro al panno? N= Q/|qe| =(3.2 · 10-10 C)/(1.6 · 10-19 C) = 3.2/1.6 · 10-10+19 = 2 · 109 90 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ELETTRIZZAZIONE DEI CORPI Tale separazione di carica avviene per esempio quando sostanze dissimili vengono strofinate una contro l’altra: se si strofina una bacchetta di vetro con un tessuto di seta, alcuni elettroni si trasferiscono dal vetro alla seta lasciando il vetro carico positivamente e la seta negativamente Altri esempi osservabili nella vita quotidiana: se si fa scorrere vigorosamente un pettine tra i capelli asciutti questi ultimi si elettrizzano se strofiniamo su della lana un oggetto di plastica, esso si carica elettricamente ed attira o respinge piccoli frammenti di carta 91 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa INTERAZIONE TRA CARICHE - q2 +q1 +q2 - q1 Oggetti con carica dello stesso segno si respingono - q1 Oggetti con carica di segno opposto si attraggono + q2 Questo vuol dire che oggetti carichi esercitano una forza l’uno sull’altro 92 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa € FORZA DI COULOMB In analogia con la forza di gravitazione universale m1 m 2 Fg = G 2 r MA • la forza che agisce tra due cariche elettriche e’ molto piu’ intensa la costante deve essere molto piu’ grande di G • la forza che agisce tra due cariche elettriche e sia attiva sia repulsiva (attiva se le cariche hanno segno opposto, repulsiva se le cariche hanno lo stesso segno) FCoulomb q1q2 = k0 2 r con k 0 = 9 ⋅10 9 N ⋅ m 2 /C 2 nel vuoto nella materia k < k0: la materia, essendo fatta di cariche elettriche, scherma la forza di Coulomb 93 € Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa IONI La perdita di uno o più e- trasforma gli atomi in ioni positivi L’acquisizione di uno o più e- trasforma gli atomi in ioni negativi e- Na Cl 94 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa IONI La perdita di uno o più e trasforma gli atomi in ioni positivi L’acquisizione di uno o più e trasforma gli atomi in ioni negativi e- Na Sodio cede un elettrone al Cloro Si formano così gli ioni Na+ e Cl- Cl 95 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa IONI La perdita di uno o più e trasforma gli atomi in ioni positivi L’acquisizione di uno o più e trasforma gli atomi in ioni negativi e- Sodio cede un elettrone al Cloro Si formano così gli ioni Na+ e ClAvendo carica opposta tali ioni si attraggono Na Cl Si forma così un composto ionico detto Cloruro di sodio (sale da cucina) FE Na+ Cl- 96 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa IONI La perdita di uno o più e trasforma gli atomi in ioni positivi L’acquisizione di uno o più e trasforma gli atomi in ioni negativi e- Sodio cede un elettrone al Cloro Si formano così gli ioni Na+ e ClAvendo carica opposta tali ioni si attraggono Na Cl Si forma così un composto ionico detto Cloruro di sodio (sale da cucina) FE Na+ Cl- • Ioni Na+ e Cl- si trovano anche nel plasma sanguigno • Ioni Na+ e K+ giocano un ruolo fondamentale nella trasmissione dell’impulso nervoso 97 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CORRENTE ELETTRICA 98 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CORRENTE ELETTRICA Il moto ordinato di cariche elettriche all’interno di un materiale è detto CORRENTE ELETTRICA. La corrente che scorre all'interno di un corpo non e' qualcosa che viene dall'esterno: sono le cariche elettriche contenute in quel corpo che si muovono I = q/t Intensita’ di corrente >> Unita’ di misura nel S.I. : [A] Ampere 1A=1C/1s 99 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CONDUTTORI E ISOLANTI Le proprieta’ elettriche di un corpo dipendono in modo determinante dal fatto che siano disponibili o meno al suo interno cariche elettriche libere di muoversi 100 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa DIFFERENZA DI POTENZIALE Affinche’ una o piu’ cariche si muovano tra due punti nello spazio e’ necessario che tra i suddetti punti ci sia una differenza di potenziale elettrico (simbolo ΔV) Per comprendere il ruolo del potenziale elettrico e della differenza di potenziale e’ utile l’analogia con il flusso di acqua di un fiume. L’acqua (equivalente della carica elettrica in questa analogia) scorre solo tra due punti tra cui ci sia una differenza di altezza >> Unita’ di misura nel S.I. : Volt [V] 101 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CIRCUITI ELETTRICI Prendiamo due corpi, uno carico positivamente e l’altro carico negativamente, tra cui esiste una differenza di potenziale V1 + - V2 102 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CIRCUITI ELETTRICI Prendiamo due corpi, uno carico positivamente e l’altro carico negativamente, tra cui esiste una differenza di potenziale V1 + - V2 Collegando i due corpi con un filo di materiale conduttore le cariche negative si muoveranno verso il corpo carico positivamente per azzerare la differenza di potenziale V1 + - V2 103 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CIRCUITI ELETTRICI Prendiamo due corpi, uno carico positivamente e l’altro carico negativamente, tra cui esiste una differenza di potenziale V1 + - V2 Collegando i due corpi con un filo di materiale conduttore le cariche negative si muoveranno verso il corpo carico positivamente per azzerare la differenza di potenziale V1 + - V2 Collocando una lampadina lungo la strada delle cariche è possibile accenderla V1 + - V2 104 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CIRCUITI ELETTRICI Per mantenere il moto delle cariche serve un generatore di differenza di potenziale (ΔV) Generatore di + differenza di potenziale DV ΔV=V1-V2 Dispositivo elettrico semplice Spesso la differenza di potenziale viene anche chiamata forza elettromotrice (f.e.m.) o tensione 105 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ESEMPI DI GENERATORI DI TENSIONE Pile Batteria da 12V per auto L'elettricità che arriva nelle nostre case è prodotta in apposite centrali elettriche e viaggia attraverso linee lunghe anche centinaia di chilometri 106 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LEGGE DI OHM, RESISTENZA ELETTRICA Generatore di tensione (pila, dinamo, ..) Resistenza elettrica R (lampadina, stufa, ...) I + - ΔV R ΔV = R ⋅ I >> Unita’ di misura nel S.I. : [Ω] ohm 1V= 1Ω × 1A € 107 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CONDUTTORI E ISOLANTI Le proprieta’ elettriche di un corpo dipendono in modo determinante dal fatto che siano disponibili o meno al suo interno cariche elettriche libere di muoversi Resistenza elettrica di un conduttore: l l R=ρ⋅ S S resistività: - caratteristica del materiale - dipende dalla temperatura € 108 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizio Una batteria con una differenza di potenziale di 1.5 V sviluppa una corrente di 0.44 A che attraversa una lampadina per 64 s. Trovare a. la carica che scorre nel circuito b. la resistenza della lampadina [R. q = 28.16 C] [R. R = 3.4 ohm] 109 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POTENZA ELETTRICA Lavoro compiuto dalle forze elettriche per portare una carica q da A a B: I A + - ? ΔV Potenza elettrica: B I L’energia fornita dal generatore elettrico viene dissipata in R sotto forma di calore (effetto Joule) 110 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esempio: ENEL: Potenza installata: 3 kW=3·103 W Si pagano: kWh 1 kWh = 103 W·3600 s = = 103 W·3,6·103 s = = 3,6·106 W·s = 3,6·106 J 111 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ENERGIA ELETTRICA L’energia elettrica rappresenta una delle forme d'energia più comunemente e diffusamente utilizzate: basti pensare alla luce artificiale e agli elettrodomestici che sono presenti nelle nostre case 112 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CONDENSATORE PIANO area A + + ΔV - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + carica +Q ++ E d ---------- carica -Q Si accumulano cariche elettriche sulle due piastre creando una d.d.p. - isolante tra le due armature Condensatore a facce piane e parallele: Capacita’ elettrica C: Unita’ di misura nel S.I.: [F] Farad 1F = 1 C/1V 113 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CONDENSATORE PIANO Nota: - occorre compiere lavoro per caricare le due piastre A e B (lavoro compiuto da un generatore elettrico) - l’energia accumulata puo’ essere poi usata - utilizzato nei circuiti elettrici (simbolo ) Nota: le membrane cellulari si comportano come un condensatore !! capacità C ≈ pF (10-12 F) 114 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CORRENTE ALTERNATA La differenza di potenziale tra i due poli di una comune presa di corrente e’ alternata, ovvero presenta un andamento periodico con pocchi positivi e picchi negativi (in Europa +-310 V a 50 Hz) Si puo’ dimostrare che la potenza media dissipata nella resistenza e’ uguale a quella che si avrebbe se alla resistenza fosse applicata una differenza di potenziale costante di 220 V 115 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CONDUZIONE ELETTRICA NEL CORPO UMANO Il corpo umano è un buon conduttore elettrico perché nei suoi liquidi vi è un’elevata concentrazione di ioni. La resistenza offerta al passaggio di corrente dipende dai punti tra cui è applicata la tensione e dalle condizioni: la pelle secca è isolante (R=2kW), se bagnata conduce (R=2W) Il passaggio di corrente può sviluppare calore, soprattutto nei punti in cui la corrente esce ed entra dal corpo, e causare scottature e ustioni Se la corrente attraversa la regione cardiaca possono prodursi eccitazioni che interferiscono con l’attività di cuore e polmoni Tempi di esposizione alla corrente brevi (< 1s) non sono in genere pericolosi 116 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Conduzione elettrica nel corpo umano Tempi di esposizione lunghi ad una corrente alternata con frequenza 50Hz possono dar luogo a: I ~ 1 mA 10 mA 70 mA 100÷200 mA > 200 mA ok tetanizzazione dei muscoli difficoltà di respirazione fibrillazione ustioni e blocco cardiorespiratorio Se assumiamo per il corpo umano una R=2kW (pelle asciutta) il contatto accidentale con la tensione alternata presente nelle nostre case darebbe luogo ad una corrente: Potenzialmente mortale Per questo nelle case ci sono dispositivi di messa a terra e un interruttore salvavita che controlla la corrente che circola nell’impianto e interrompe il circuito in pochi ms se riscontra anomalie 117 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FENOMENI MAGNETICI 118 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MAGNETISMO Il magnetismo è un’altra delle proprietà fondamentali della materia Alcune pietre (calamite naturali o magneti) si attraggono a vicenda ed attraggono materiali come il ferro o l’acciaio Un pezzo di acciaio temperato in presenza di un magnete acquista proprietà magnetiche che non perde neppure quando lo si separa dal magnete: diventa una calamita permanente 119 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LA TERRA E’ UNA GRANDE CALAMITA Un ago calamitato libero di girare intorno al suo centro (bussola) assume rispetto alla terra una posizione definita, orientandosi lungo la direzione nord-sud. L’estremità dell’ago che si orienta verso Nord si chiama “Polo Nord” del magnete. Analogamente è chiamata “Polo Sud” l’estremità che si rivolge a Sud Anche la Terra si comporta come una grande calamita 120 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POLI MAGNETICI Qualunque magnete, come l’ago magnetico, presenta un Polo Nord e un Polo Sud. Se si spezza in due un magnete si ottengono 2 magneti, ciascuno con un Polo Sud e un Polo Nord. La stessa cosa accade se dividiamo in due i “magnetini” ottenuti. Fino ad oggi non si è ancora riusciti ad individuare un oggetto magnetico costituito da un ‘unico polo Il polo Nord di una calamita respinge il polo Nord di un’altra calamita, mentre attrae il suo Polo Sud Poli uguali si respingono Poli opposti si attraggono repulsione attrazione 121 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa APPLICAZIONI MEDICHE DI ELETTRITICITA’ e MAGNETISMO Diverse sono le apparecchiature mediche che utilizzano campi elettrici e magnetici a scopo diagnostico ECG, EEG osservando le differenze di potenziale tra diverse parti del corpo si traggono informazioni sul funzionamento del cuore e del cervello La risonanza magnetica utilizza campi magnetici e onde radio per produrre immagini tridimensionali degli organi Defibrillatore: se alla regolare attività elettrica del cuore subentra un’attività continua e anarchica si ha fibrillazione ventricolare con arresto della circolazione. Se il cuore in fibrillazione è attraversato da una corrente elettrica intensa ma di breve durata, le cellule cardiache vengono simultaneamente depolarizzate e possono riprendere il giusto ritmo. 122 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FENOMENI ONDULATORI 123 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ONDA Oscillazione ma ... di che cosa? Oscillazione della posizione, velocità, accelerazione di un mezzo materiale ONDA ELASTICA (esempio: onde del mare, onde sonore, onde lungo una corda vibrante) Oscillazione dei vettori campo elettrico e magnetico ONDA ELETTROMAGNETICA si propaga anche nel vuoto Se l’oscillazione si ripete ad intervalli regolari l’onda è detta periodica 124 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LUNGHEZZA D’ONDA Immaginiamo di fotografare una corda in oscillazione otteniamo un’istantanea a tempo fissato Lunghezza d’onda: distanza tra due massimi successivi; si indica con λ (“lambda”) e si misura in metri 125 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PERIODO Immaginiamo di fissare sempre lo stesso punto di una corda in oscillazione al trascorrere del tempo otteniamo una ripresa a spazio fissato Periodo: distanza tra due massimi successivi; si indica con T e si misura in secondi Frequenza: l’inverso del periodo, f = 1/T, si misura in secondi-1 126 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE velocità = spazio/tempo velocità = lunghezza d’onda/periodo v = λ/T = λf Si osservi che lunghezza d’onda e frequenza sono inversamente proporzionali 127 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizi Calcolare la frequenza corrispondente ad un’onda di periodo T=10 msec. Calcolare la corrispondente lunghezza d’onda sapendo che la velocità di propagazione è v=340 m/s 128 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ONDE ACUSTICHE ONDE ACUSTICHE: compressione e rarefazione aria ‘onde di pressione’ Δp = Δpo sen(2 π ⋅ x λ ) • Se di frequenza compresa tra 20 Hz e 20000 Hz suono udibile dall’orecchio umano • Sotto i 20 Hz infrasuoni € • Sopra i 20000 ultrasuoni Numerose applicazioni mediche, per esempio flussimetria Doppler e ecografia a ultrasuoni 129 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ONDE ACUSTICHE Materiale Velocità di propagazione Aria 344 m/s Acqua 1480 m/s Tessuto corporeo 1570 m/s Legno 3850 m/s Alluminio 5100 m/s Vetro 5600 m/s NOTA: Nel passaggio tra due mezzi con diverse velocità di propagazione, la frequenza dell’onda si mantiene inalterata mentre varia la lunghezza d’onda. 130 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POTENZA E INTENSITA’ SONORA Potenza P di una sorgente [W] È l’energia emessa da una sorgente (sonora) nell’unità di tempo Intensità di un’onda I [W/m2] Rappresenta l'energia trasportata dall’onda che nell'unità di tempo fluisce attraverso una superficie unitaria L’intensità è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente 131 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizio L’intensità di un’onda a 10 cm dalla sorgente è pari a 100 W/m2. Calcolare l’intensità ad un metro di distanza dalla sorgente. 132 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LOG10 Il log10 di un numero qualsiasi a (base) e’ l’esponente che devo dare a 10 per ottenere a Il calcolo dei logaritmi si semplifica notevolmente quando la base e’ una potenza di 10 log10 10n = n! Infatti l’esponente che devo dare a 10 per ottenere 10n e’ n! 133 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa DECIBEL L’orecchio umano è sensibile ad intensità sonore tra 10-12 W/m2 e 102 W/m2. Tuttavia, la sensazione uditiva non è proporzionale all’intensità sonora, ma approssimativamente al suo logaritmo. Livello di intensità sonora IL [dB] E` definito come il logaritmo del rapporto fra l’intensità misurata ed una intensità di riferimento (I0): Per convenzione internazionale: I0 = 10-12 W/m2 (minima intensità percepibile dall’orecchio umano) 10-12 W/m2 a 102 W/m2 → tra 0 e 140 dB 134 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esempi di intensità sonora 135 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ONDE ELETTROMAGNETICHE Si può verificare sperimentalmente che un campo elettrico variabile nel tempo produce un campo magnetico un campo magnetico variabile nel tempo produce un campo elettrico Campo magnetico variabile genera campo elettrico questo campo elettrico è variabile e genererà un campo magnetico questo campo magnetico è variabile e genererà a sua volta un campo elettrico variabile … Il Risultato è la produzione di un’onda che si propaga nello spazio detta onda elettromagnetica 136 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ONDE ELETTROMAGNETICHE Tutte le onde em nel vuoto si propagano con la stessa velocità, pari alla velocità della luce: c= 3·108 m/s La relazione tra lunghezza d’onda frequenza e velocità di propagazione per un’onda elettromagnetica diventa: c = λ/T = λ·f 137 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa SPETTRO ELETTROMAGNETICO All’ aumentare della lunghezza d’onda diminuiscono la frequenza e l’energia 138 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa SPETTRO ELETTROMAGNETICO Come vengono utilizzate le onde elettromagnetiche alle varie frequenze? Scintigrafia SPECT Radiologia TAC Radioterapia 139 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa UTILIZZO RAGGI GAMMA DIAGNOSTICA: al paziente viene iniettato un radiofarmaco, ovvero un farmaco marcato con un isotopo radioattivo emettitore di raggi γ il paziente diventa una sorgente di raggi gamma, in particolare i tessuti che metabolizzano il farmaco informazioni morfologiche e funzionali TERAPIA: radioterapia con fotoni (prodotti con acceleratori lineari) 140 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa UTILIZZO RAGGI X 141 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CALORE E TEMPERATURA 142 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Gli scambi di energia non necessariamente implicano lavoro meccanico contatto tra corpi a temperatura diversa attrito corrente elettrica attraverso una resistenza reazioni chimiche scambi energetici tra corpo umano e ambiente circostante • … • • • • • 143 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MECCANICA i costituenti microscopici di un corpo seguono le leggi introdotte moto d’insieme (baricentro) TERMODINAMICA i costituenti microscopici si urtano casualmente e interagiscono reciprocamente moto casuale, descritto da leggi statistiche PARAMETRI MACROSCOPICI: p, V, T legati in modo statistico alla posizione e velocita’ delle singole molecole 144 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa TEMPERATURA Sensazione termica soggettiva Definizione oggettiva? Bisogna costruire una scala di riferimento basandosi su fenomeni che avvengono sempre alla stessa temperatura 145 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa TEMPERATURA CELSIUS 0o C ghiaccio in presenza di acqua di fusione 100o acqua che bolle TEMPERATURA FARENHEIT 32o F ghiaccio in presenza di acqua di fusione 212o F acqua che bolle t(o C) = 5/9 [t(o F) -32] 146 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa TEMPERATURA ASSOLUTA V = V0 (1+αt) legge della dilatazione termica t temperatura Celsius gas perfetto α = 1/273.15 o C-1 t = -273.15 o C V-273.15 = V0 (1 + 1/273.15(-273.15)) = 0 un valore inferiore di temperatura implica un volume negativo! t = -273.15 o C T(o K) = t(o ZERO ASSOLUTO C) + 273.15 t (o C) = 0 T (o K) = 273.15 t (o C) = 100 T (o K) = 373.15 147 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizio Si trasformino 20o Faranheit in gradi centigradi e Kelvin 148 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa EQUILIBRIO TERMICO Due corpi a temperature t1 e t2 (t2 > t1) sono posti in contatto termico, isolati dall’ambiente circostante t1 t2 Dopo un certo tempo, i due corpi raggiungeranno una temperatura intermedia di equilibrio tf tf tf 149 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa TERMOMETRO CLINICO Basato sull’equilibrio termico Termometro ‘a massima’ La strozzatura tra il bulbo e il tubo capillare permette, sfruttando la tensione superficiale, di conservare la lettura della temperatura massima dopo la rimozione del termometro 150 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa TEMPERATURA: INTERPRETAZIONE MICROSCOPICA Anche in assenza di un moto collettivo, gli atomi e le molecole di un corpo sono in uno stato di moto caotico e disordinato. La temperatura di un corpo e’ legata al livello medio di tale agitazione termica della materia Particella di un corpo solido, liquido o gassoso: • Energia cinetica Ucin “agitazione termica” • Energia potenziale Upot legami chimici • Energia interna Ucin + Upot Dalla combinazione di Ucin e Upot risultano i vari stati di aggregazione della materia 151 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa STATI DI AGGREGAZIONE SOLIDO: Upot >> Ucin particella ordinate in struttura regolare LIQUIDO: Upot ~ Ucin le particelle fluiscono GAS: Upot << Ucin le particella si muovono in tutte le direzioni 152 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CAMBIAMENTI DI STATO SOLIDO: Upot >> Ucin particella ordinate in struttura regolare Innalzando il livello termico aumenta Ucin liquido (e viceversa) LIQUIDO: Upot ~ Ucin le particelle fluiscono Innalzando il livello termico aumenta Ucin gas (e viceversa) GAS: Upot << Ucin le particella si muovono in tutte le direzioni 153 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CAMBIAMENTI DI STATO I cambiamenti di stato avvengono a temperatura costante 154 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CALORE Nelle transizioni termiche viene scambiato calore Quando due corpi a temperature diverse sono messi a contatto viene trasferita energia termica dal corpo piu’ caldo al corpo piu’ freddo il corpo piu’ freddo guadagna Ucin e quindi sale in temperatura Il calore puo’ essere ceduto o assorbito >> Unita’ di misura nel S.I. : [J] 1 cal = 4.186 J 1kcal = 4186 J 155 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CAMBIAMENTI DI STATO I cambiamenti di stato avvengono a temperatura costante benche’ venga scambiato (ceduto o assorbito) calore che si dice ‘calore latente’ 156 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa METABOLISMO 157 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa METABOLISMO Insieme delle reazioni biochimiche all’ interno dell’organismo necessarie per il sostentamento delle funzioni vitali e per l’attuazione di lavoro meccanico verso l’esterno Alimenti Ossidazione ALIMENTAZIONE L’uomo e’ omeotermo TERMOREGOLAZIONE 158 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ALIMENTAZIONE L’ossidazione delle sostanze organiche (carboidrati, proteine e grassi) libera energia Es. C6H12O6 + 6O2 6 CO2 + 6 H2O + 666 kcal Energia accumulata nei legami chimici della molecola di ATP (adenosintrifosfato) e successivamente utilizzata per il sostentamento dell’organismo e per l’attivita’ motoria 159 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa METABOLISMO BASALE Minimo consumo energetico richiesto dai processi vitali: • funzione cardiaca, respiratoria, ghiandolare e nervosa • tono muscolare • mantenimento temperatura corporea 160 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa METABOLISMO ADDIZIONALE • • • • Lavoro muscolare Lavoro mentale Digestione … TOTALE = BASALE + ADDIZIONALE ~ 2500 kcal/die 161 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POTENZA METABOLICA MR “ Metabolic rate” kcal/tempo BMR “Basal metabolic rate” Parametro diagnostico importante determinabile per esempio con uno spirometro attraverso la misura della quantita’ di ossigeno consumato nella combustione delle sostanze in cui gli alimenti sono scomposti 162 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LAVORO E POTENZA MUSCOLARE Solo parte dell’energia impegnata viene trasformata in lavoro utile Rendimento η = lavoro utile/energia impegnata = potenza meccanica/potenza muscolare In pratica il lavoro compiuto dai muscoli e’ molto meno dell’energia impiegata dal nostro organismo per farli funzionare 163 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POTENZA METABOLICA MR “ Metabolic rate” kcal/tempo BMR “Basal metabolic rate” Parametro diagnostico importante determinabile per esempio con uno spirometro attraverso la misura della quantita’ di ossigeno consumato nella combustione delle sostanze in cui gli alimenti sono scomposti MR = BMR + potenza muscolare = BMR + potenza meccanica/η 164 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizio Una persona a dieta svolge un’attivita’ fisica normale consumando 2500 kcal/die mentre il suo regime alimentare e’ di sole 1500 kcal. Se la differenza e’ compensata dai soli grassi di riserva (1 g di grasso fornisce 9.3 kcal), di quanti kg calera’ in un mese? 165 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POTERE CALORICO Proteine/zuccheri: 4.1 kcal/g Grassi: 9.3 kcal/g Quanti grammi di zucchero soddisfano il fabbisogno metabolico totale di 2500 kcal? 166 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa TERMOREGOLAZIONE • Perdita di calore dall’epidermide • Perdita di calore con vapore acqueo e aria espirata • Evaporazione del sudore Bassa temperatura ambiente (T<< 37 oC): vasocostrizione, pelle d’oca, brividi Alta temperatura ambiente (T ≥ 37 oC) o sforzo fisico: vasodilatazione, sudore 167 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizio Il calore latente di evaporazione dell’acqua a 37o C vale 580 cal/g. Si determini quanto calore viene smaltito attraverso 10 g di sudore 168 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MECCANICA DEI FLUIDI Fluidostatica: fluidi in quiete Fluidodinamica: fluidi in moto 169 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FORMA VOLUME SOLIDO propria proprio LIQUIDO contenitore proprio GASSOSO contenitore contenitore FLUIDI FLUIDI masse densita’ forze pressioni 170 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PRESSIONE Pressione = forza/superficie p = F/A >> Unita’ di misura nel S.I.: [N/m2] = [Pa] Pascal 1 Pa = 1 kg / 1 m/ 1 s2 171 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PRINCIPIO DI PASCAL La pressione esercitata sun un punto della superficie limite di un fluido si trasmette inalterata in tutte le direzioni 172 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PRESSIONE IDROSTATICA Pressione esercitata in un punto in profondita’ dalla colonna di fluido che lo sovrasta (pidr)P = Fp/A con FP A peso colonna sovrastante A superficie che contiene P (pidr)P = d A h g/A = d g h h P 173 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PRESSIONE IN UN FLUIDO IN QUIETE p0 P Quali e quante pressioni in P? 1) pressione esterna (tipicamente pressione atmosferica) 2) pressione idrostatica Pressione totale = p0 + dgh LEGGE di STEVINO 174 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PRINCIPIO DEI VASI COMUNICANTI In base alla legge di Stevino tutti i punti alla stessa profondita’ hanno lo stesso valore di pressione in un sistema di vasi comunicanti di qualsiasi forma la superficie limite si porta sempre alla stessa altezza rispetto ad un piano di riferimento poiche’ la pressione esterna, tipicamente la pressione atmosferica, e’ la stessa in ogni punto della superficie 175 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PRESSIONE ATMOSFERICA Peso della colonna di aria che ci sovrasta di altezza quindi pari all’altezza dell’atmosfera patm = d g h con d densita’ aria h altezza atmosfera 176 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA: ESPERIMENTO DI TORRICELLI Condizione equilibrio: Patm= pidr = dHg × 760 mm × g patm pidr 177 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA: ESPERIMENTO DI TORRICELLI L’esperimento di Torricelli dimostra che la pressione atmosferica (a livello del mare) e’ pari alla pressione esercitata da una colonna di mercurio alta 760 mm Patm = pidrostatica (760 mm di Hg) = = (si puo’ calcolare!) 1.013 x 105Pa Si definiscono unita’ di misura pratiche: pressione atmosferica a livello del mare = = 1 atm = 760 mmHg ≈ 105 Pa 178 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizio 110 mmHg = ? Pa 179 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PRESSIONE ATMOSFERICA IN MONTAGNA e in PROFONDITA’ In montagna la pressione atmosferica diminuisce poiche’ la colonna d’aria sovrastante le nostre teste (atmosfera rimanente) e’ meno che a livello del mare Quando ci immergiamo in profondita’ nei mari la pressione che agisce su di noi e’ maggiore che non a livello del mare perche’ alla pressione atmosferica si aggiunge la pressione dell’acqua che ci sovrasta. Ogni 10 m di acqua procurano 1 atm! 180 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PRESSIONE IDROSTATICA DEL SANGUE Anche una colonna di sangue possiede una pressione idrostatica…quando siamo in posizione eretta l’altezza dei nostri vasi sanguigni contribuisce una pressione idrostatica che si somma (dal cuore in giu’) e si sottrae (dal cuore in su) a quella cardiaca 181 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PRESSIONE IDROSTATICA DEL SANGUE La pressione cardiaca va sempre misurata con il braccio del paziente all’altezza del cuore altrimenti la pressione misurata sara’ la pressione cardiaca + o – il contributo della pressione idrostatica di una colonna di sangue di altezza Δh dove Δh e’ la differenza in altezza tra il punto di misura e il cuore Δh (segno + se il punto di misura e’ piu’ basso del cuore, segno - se e’ piu’ alto) 182 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizio Supponiamo una distanza tra il punto di misurazione e il cuore di 30 cm. Di quanto si altera la misura della pressione cardiaca a causa di tale distanza? 183 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa TERAPIE INFUSIVE Per infondere farmaco in un vaso (vena) il farmaco deve avere una pressione superiore a quella del sangue nel vaso. Questa pressione si ottiene tipicamente sollevando il contenitore nel farmaco rispetto al punto di infusione. In questo modo per il farmaco di ottiene una pressione idrostatica dgh dove d e’ la densita’ del farmaco, g e’ l’accelerazione di gravita’ e h e la differenza di altezza tra il farmaco e il punto di infusione. 184 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizio Per effettuare una terapia infusiva, a che altezza minima va sistemato il recipiente affinche’ il farmaco entri in una vena dove la pressione del sangue e’ 18 mmHg? 185 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MOTO DI FLUIDI IDEALI • Non viscosi, incomprimibili • Condotti a pareti rigide non deformabili • Moto stazionario: velocita’ costante punto per punto 186 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PORTATA La grandezza fisica che caratterizza il moto di un fluido (si pensi per esempio ad un fiume) e’ la portata definita come il volume di fluido che attraversa una sezione del condotto di scorrimento nell’unita’ di tempo Q = V/t >> Unita’ di misura nel S.I.: m3/s Si puo’ dimostrare che Q = S × v con - S sezione trasversa condotto - v velocita’ di scorrimento 187 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LA PORTATA SI CONSERVA! La massa di fluido che attraversa in un certo intervallo di tempo la sezione di un condotto e’ la stessa che passa in qualsiasi sezione nello stesso tempo, cioe’ poiche’ la massa si conserva la portata si conserva, Q = cost 2 1 Q = cost Q1 = Q2 S1 v1 = S2 v2 Q1 Q2 Eq. di continuita’ 188 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa EQUAZIONE DI CONTINUITA’: RAMIFICAZIONI DI UN CONDOTTO S1 v1 = S2 v2 = 5 S3 v3 189 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa EQUAZIONE DI BERNOULLI Si dimostra a partire dalla conservazione dell’energia meccanica p1 p2 P + ½ dv12 + dgh = cost p1 + ½ dv12 + dgh1 = p2 + ½ dv22 + dgh2 p1 + ½ dv12 = p2 + ½ dv22 per vaso orizzontale, h1 = h2 190 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa APPLICAZIONE DELL’EQUAZIONE DI BERNOULLI: ANEURISMA Aneurisma: ingrossamento di un vaso S2 > S1 S1 S2 Se S2 > S1 per l’equazione di continuita’ v2 < v1 in un aneurisma la velocita’ del sangue diminuisce Se v2 < v1 per il teorema di Bernoulli p2 > p1 in un aneurisma la pressione del sangue aumenta 191 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa APPLICAZIONE DELL’EQUAZIONE DI BERNOULLI: STENOSI Stenosi: restringimento di un vaso S2 < S1 Se S2 < S1 per l’equazione di continuita’ v2 > v1 in una stenosi la velocita’ del sangue aumenta Se v2 > v1 per il teorema di Bernoulli p2 < p1 in una stenosi la pressione del sangue diminuisce 192 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizio In un vaso sanguigno si forma un aneurisma dove la sezione aumenta del 15%. Si calcoli la conseguente variazione percentuale della velocita’ del sangue 193 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercitazioni Infermieristica Novara: Gruppo A 28/1 9-13 29/1 14-18 Gruppo B 28/1 14-18 29/1 9-13 Alba 7/12/2012 11-13 14-17 25/01/2013 15-18 a Novara Alessandria 18/12/2012 10-13 14-16 14/01/2013 10-13 a Novara Tortona 21/12/2012 11-13 14-17 25/01/2013 15-18 a Novara Biella 6/12/2012 10-13 14-16 8/1/2013 10-13 a Novara Verbania 29/11/2012 14-17 10/12/2012 16-18 7/01/2013 10-13 Novara 194 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercitazioni Infermieristica Pediatrica 26/11/2012 16-18 14/12/2012 14-16 le altre 4 ore sono da decidere per il mese di gennaio. 195 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercitazioni Ostetricia 30/11/2012 16-18 06/12/2012 15-17 le altre ore sono da decidere per il mese di gennaio. 196 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MOTO DI FLUIDI REALI 197 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MOTO DI UN FLUIDO REALE Consideriamo un condotto orizzontale a sezione costante 1 2 S1 = S2 per l’equazione di continuita’ v2 = v1 v2 = v1, h2 = h1 per il teorema di Bernoulli p2 = p1 MOTO perpetuo a pressione e velocita’ costante! Non esiste nella realta’! L’equazione di Bernoulli va corretta 198 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa COME CORREGGERE BERNOULLI? L’equazione di Bernoulli esprime come detto la conservazione dell’energia meccanica, ovvero (Emeccanica)1=(Emeccanica)2 Nella realta’ l’energia meccanica non si conserva a causa dell’attrito (Emeccanica)1=(Emeccanica)2 + attrito Quindi tornando al condotto orizzontale a sezione costante p1 = p2 + attrito, ovvero Δp = attrito 199 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PERDITA DI CARICO E’ NECESSARIA UNA DIFFERENZA DI PRESSIONE Δp PER VINCERE LE FORZE DI ATTRITO E FAR SCORRERE FLUIDO IN UN CONDOTTO ORIZZONTALE A SEZIONE COSTANTE serve Δp = motore ALTRIMENTI DETTO, LE FORZE DI ATTRITO PORTANO ALLA CADUTA DELLA PRESSIONE IN UN CONDOTTO (PERDITA DI CARICO) Il nostro cuore e’ il motore del sangue! 200 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa RESISTENZA IDRODINAMICA In analogia con la resistenza elettrica R = ΔV/I, dove ΔV mette in moto le cariche e I e’ la carica nell’unita’ di tempo resistenza idrodinamica R = Δp/Q, dove Δp mette in moto il fluido e Q e’ il volume di fluido nell’unita’ di tempo >> Unita’ di misura nel S.I.: [Pa s/m3] R e’ direttamente proporzionale - alla viscosita’ η - alla lunghezza del condotto utilizzato 201 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CIRCUITO IDRODINAMICO DEL SANGUE Due condotti in serie attraversati dalla stessa portata In media la portata vale 5 litri/minuto ovvero 83 cm3/s (numero da ricordare a memoria!) 202 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CIRCUITO IDRODINAMICO DEL SANGUE Tra piccola e grande circolazione la portata e’ la stessa ma cambia la resistenza idrodinamica (maggiore lunghezza del condotto) Maggiori cadute di pressione nella grande circolazione (LA PRESSIONE NELLE VENE E’ MOLTO PIU’ BASSA CHE NELLE GRANDI ARTERIE) Maggiore lavoro del cuore sinistro Maggiore pressione in aorta che in arteria polmonare 203 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Al momento dell’immissione dal ventricolo sinistro all’aorta la pressione del sangue e’ in media un centinaio di mmHg Nella vena cava, che e’ l’ultimo vaso prima dell’atrio destro, la pressione scende quasi fino a 0 (4 mmHg) Il ventricolo destro ricomprime il sangue ad una pressione di circa 25 mmHg prima dell’immissione nell’arteria polmonare Il sangue affluisce all’atrio sinistro a pressione quasi nulla A ciascun organo irrorato compete una resistenza idrodinamica. La resistenza idrodinamica totale e’ la somma di tutti i distretti 204 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa IL SANGUE E’ VISCOSO, PERCHE’? A causa dei globuli rossi soprattutto, che sono i piu’ grandi e i piu’ numerosi La viscosita’ del sangue dipende - dalla concentrazione di globuli rossi (ematocrito) - dalla temperatura (aumenta al diminuire della temperatura) 205 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FREQUENZA CARDIACA Numero di “battiti” (contrazioni ventricolari) al minuto 206 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa GITTATA SISTOLICA Volume di sangue immesso in aorta a ogni pulsazione. Quanto vale in media? 207 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa VELOCITA’ DEL SANGUE Con l’equazione di continuita’, a partire dalla portata e dalla sezione dell’aorta, possiamo stimare la velocita’ del sangue in aorta. Possiamo fare altrettanto per i capillari. 208 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa GAS, SOLUZIONI DILUITE, FENOMENI DIFFUSIVI 209 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MISCELA DI GAS Sia data una miscela di gas in un recipiente di volume V a temperatura T: Pressione parziale del componente i-esimo è la pressione che eserciterebbe il costituente i se da solo occupasse tutto il volume Frazione molare: Frazione molare (%) In pratica, nota la pressione totale di una miscela di gas (se non e’ nota si puo’ misurare!), la pressione parziale di un qualsiasi componente della miscela e’ sempre calcolabile moltiplicando la pressione totale per la frazione percentuale di tale componente 210 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa In pratica, nota la pressione totale di una miscela di gas (se non e’ nota si puo’ misurare!), la pressione parziale di un qualsiasi componente della miscela e’ sempre calcolabile moltiplicando la pressione totale per la frazione percentuale di tale componente Esempio: aria a 15 oC, p = 1 atm, al livello del mare: Componente fr. molare Componente fr. molare Azoto (N2) 78,00 % Argon (Ar) 0,97 % Ossigeno (O2) 20,93 % An. Carbonica (CO2) 0.03 % + vapore acqueo (0,1 % ÷ 2 %) p(N2) = 0.78 atm = 593 mmHg P(02) = 0.21 atm = 160 mmHg p(Ar) = 0.001 atm = 0.76 mmHg p(CO2) = 0.0003 atm = 0.23mmHg 211 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa SOLUZIONI DILUITE In una soluzione: • ni moli di soluto • no moli di solvente Soluzione diluita: ni << no 212 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONE % (grammi soluto / 100 g di soluzione % vol. (ml di soluto / 100 ml soluzione g/litro moli/litro (molarità) Esempio: Concentrazione di soluti nel plasma totale 213 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa DIFFUSIONE LIBERA Le molecole sia del soluto sia del solvente in una soluzione sono animate dai moti disordinati di agitazione termica si muovono in ogni direzione in modo casuale a causa dell’agitazione termica Si consideri una soluzione con iniziale gradiente di concentrazione tra due compartimenti All’equilibrio le concentrazioni sono uguali La migrazione di soluto fino a equilibrare le concentrazioni avviene per agitazione termica! 214 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa OSMOSI E`un fenomeno di diffusione selettiva attraverso una membrana semipermeabile (permeabile al solvente ma non al soluto). All’equilibrio: Membrana semipermeabile: consente il passaggio di H20 ma non di C6H12O6 C6H12O6 H2O Se la soluzione e` diluita: la pressione idrostatica p=dgΔh è p π bilanciata dalla pressione osmotica π π=dgΔh π·V = δ·nRT (Van’t Hoff) • δ = coefficiente di dissociazione elettrolitica (δ=1 per soluto non dissociato) • a T= costante, π R = 8,31 è proporzionale a n/V ( = concentrazione moli/litro) J K ⋅ mole = 0.082 litri ⋅ atm K ⋅ mole 215 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa OSMOSI NEI SISTEMI BIOLOGICI Molte membrane biologiche sono selettive: • pareti capillari ed intestinali • membrana alveolare • membrana cellulare • tubuli renali La diffusione di sostanze dipende dalla differenza di pressioni idraulica ed osmotica tra i due lati della parete 216 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa SOLUZIONI ISOTONICHE Le soluzioni iniettate per via endovenosa devono avere la medesima pressione osmotica del plasma soluzioni ISOTONICHE stessa concentrazione (moli/litro) del plasma soluzione ipertonica ⇒ atrofizzazione dei globuli rossi soluzione ipotonica ⇒ emolisi dei globuli rossi 217
