Prof. Franco Dalfovo
Facoltà di Scienze MFN, Università di Trento
Corsi di Fisica Generale 1, 2 e 3
A.A. 2007-08

Sintesi delle lezioni: Fisica generale 1

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18 settembre 2007

Introduzione al corso.
Obiettivi del corso, modalità, testi, e altre informazioni utili. Obiettivi generali della scienza. La necessità di conoscere e la gratificazione della conoscenza.

Il metodo scientifico
Leggi, principi, teorie. Il ruolo dell'osservazione quantitativa. L'errore sperimentale. L'estensione e la generalizzazione delle teorie. I numeri, la logica e il linguaggio matematico. Il perché e il come di un fenomeno. Le congetture e la sensata esperienza: l'esempio di Galileo.

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19 settembre 2007

L'osservazione quantitativa dei fenomeni.
L'esempio di Keplero e le misure dell'orbita di Marte.

Il tempo.
Idea intuitiva di tempo. Fenomeni regolari e periodici. Orologi. Il tempo è la grandezza fisica che si misura tramite orologi. Campioni di tempo e unità di misura: il secondo. L'omogeneità del tempo. Il problema della sincronizzazione.

Lo spazio.
Idea intuitiva di spazio. La misura delle distanze tramite aste graduate. Campioni e unità di misura: il metro. L'omogeneità e l'isotropia dello spazio. Le coordinate spaziali e la terna di assi orientati. I sistemi di riferimento. Il punto materiale e la sua posizione nello spazio: vettori. Il moto di un punto materiale nello spazio: traiettoria e leggi orarie.

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24 settembre 2007

Ripasso di trigonometria
(1 ora facoltativa) Misura di angoli. Cerchio goniometrico. Definizioni di seno, coseno, tangente, cotangente.

Alcune considerazioni su spazio e tempo
La definizione operativa delle grandezze fisiche. Spazio e tempo come grandezze continue, tradotte in numeri reali per mezzo delle operazioni di misura. La scelta della geometria euclidea per rappresentare lo spazio fisico.

Vettori
Rette orientate, versori, vettori. Modulo di un vettore. Prodotto di un vettore per uno scalare. Opposto di un vettore. Somma di vettori con la regola del parallelogrammo. Differenza di vettori. Decomposizione di un vettore secondo le componenti in direzioni assegnate. Coordinate ortogonali cartesiane. Vettori come n-ple di numeri. Somma e differenza di vettori per componenti. Prodotto scalare di due vettori.

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25 settembre 2007

Velocità
Idea intuitiva di velocità. Definizione di velocità media come rapporto tra spostamento e intervallo di tempo. Definizione di velocità istantanea come derivata prima della posizione rispetto al tempo. Calcolo dello spostamento come integrale della velocità nel tempo. Unità di misura della velocità. Parentesi sul controllo dimensionale nelle relazioni tra grandezze fisiche.

Accelerazione
Idea intuitiva di accelerazione. Definizione di accelerazione media come rapporto tra incremento di velocità e intervallo di tempo. Definizione di accelerazione istantanea come derivata prima della velocità e derivata seconda della posizione rispetto al tempo. Unità di misura dell'accelerazione. Parentesi sul significato di "tempo al quadrato".

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26 settembre 2007

Cinematica: moto uniforme e moto uniformemente accelerato in 1D
Moto in una dimensione (1D). Caso particolare del moto con accelerazione costante. Relazioni tra tempo, spazio, velocità e accelerazione. Grafici velocità-tempo e interpretazione grafica degli integrali e delle derivate. Caso particolare del moto con accelerazione nulla (velocità costante), detto moto uniforme.

Esercizio
Un convoglio di metropolitana viaggia tra due stazioni A e B, distanti 4 Km, potendo accelerare o frenare con accelerazione fissata di 1 m/sec2, positiva o negativa. Calcolo del tempo minimo di percorrenza. Stesso calcolo ma imponendo una velocità massima di 60 Km/h.

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1 ottobre 2007

Ripasso di trigonometria
(1 ora facoltativa) Formule utili con funzioni goniometriche. Trangoli rettangoli e triangoli qualsiasi: principali relazioni trigonometriche.

Esercizio
Moto in 1D: due corpi lanciati verticalmente e soggetti all'accelerazione di gravità. Stesso lancio ma in tempi diversi. Calcolo della quota d'incontro. Grafici della velocità e della quota nel tempo.

Moto uniformemente accelerato in 3D
Moto in 3D. Nel caso di accelerazione costante la traiettoria è confinata al piano individuato dalla velocità iniziale e l'accelerazione. Il moto può essere visto come composizione di moti indipendenti lungo direzioni assegnate. Questo è vero in generale e corrisponde ad una assunzione di partenza (un principio) nella descrizione fisica del movimento.

Moto di un corpo soggetto alla gravità
Come esempio di moto ad accelerazione costante abbiamo esaminato il caso di un corpo soggetto alla gravità, calcolando la traiettoria, il tempo di volo e la gittata.

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2 ottobre 2007

Moto curvilineo in 3D
Abbiamo riscritto le relazioni vettoriali che legano la posizione, la velocità e l'accelerazione. Nel descrivere il moto si possono decomporre i vettori secondo direzioni opportune. Nel seguire un punto materiale lungo una traiettoria conviene spesso utilizzare la "rappresentazione intrinseca", che corrisponde a scegliere due versori, uno diretto come la tangente alla traiettoria, punto per punto, e l'altro ortogonale al primo. Abbiamo visto come si scrivono la velocità e l'accelerazione con questi versori, definendo l'accelerazione tangenziale e l'accelerazione centripeta.

Moto circolare uniforme
Come caso particolare abbiamo visto il moto su una traiettoria circolare di raggio R, con velocità tangenziale costante. Abbiamo definito la velocità angolare, il periodo e la frequenza.

Esercizio
Assegnata la distanza media terra-luna, abbiamo stimato la velocità (tangenziale) di rotazione della luna attorno alla terra, la velocità angolare e l'accelerazione centripeta.

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3 ottobre 2007

Moto circolare
Abbiamo definito l'accelerazione angolare e abbiamo visto quali sono le relazioni tra angolo, velocità angolare e accelerazione angolare, analoghe a quelle per la posizione, la velocità e l'accelerazione nel moto unidimensionale. Abbiamo accennato al significato dei gradi di libertà nel movimento dei corpi.

Esercizio
Un volano accelera da una certa velocità angolare ad un'altra in un dato intervallo di tempo con accelerazione costante. Abbiamo calcolato l'accelerazione e l'angolo totale descritto nella rotazione.

Esercizio
Abbiamo considerato la rotazione della terra sul suo asse, con periodo di 1 giorno. Abbiamo calcolato la velocità tangenziale e l'accelerazione centripeta di un punto generico sulla superficie, in funzione della latitudine e nel caso particolare della nostra latitudine. Abbiamo commentato il fatto che nella vita quotidiana non abbiamo la percezione né della velocità nella dell'accelerazione associate alla rotazione del pianeta.

Introduzione alla dinamica newtoniana
La dinamica come studio del movimento dal punto di vista delle cause (fisiche). Il contesto storico in cui è nata la dinamica classica. Gli ingredienti essenziali, nella formulazione newtoniana: inerzia, quantità di moto, massa (inerziale e gravitazionale), forza, equazione del moto, azione-reazione, principio di relatività. L'insieme di questi ingredienti costituisce la base della teoria. Questi ingredienti li introdurremmo un po' alla volta, ma il loro significato diventa compiuto e soddisfacente solo se presi nel loro insieme.

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8 ottobre 2007

Funzioni reali e derivate
(1 ora facoltativa) Funzioni reali di variabile reale. Definizione di derivata e alcune proprietà delle derivate. Esempi.

Inerzia
L'idea intuitiva d'inerzia. Gli enunciati di Galileo e di Newton. I sistemi di riferimento inerziali. Il principio di relatività. Moto libero e equivalenza di quiete e moto uniforme.

Massa e quantità di moto
Un corpo modifica il suo stato di moto (rispetto al moto libero) per effetto dell'azione esercitata dagli altri corpi. La risposta del corpo all'azione degli altri è quantificabile tramite la massa del corpo. Procedure operative per misurare la massa (inerziale) tramite misure di variazione di velocità. La quantità di moto è il prodotto della massa per la velocità di un corpo.

Forza e seconda legge di Newton
Variazione di quantità di moto in intervalli di tempo piccoli. Concetto di forza come rappresentazione quantitativa (vettoriale) dell'azione degli altri corpi su un corpo dato. La seconda legge di Newton.

Appunti su questa lezione e la prossima si trovano qui, in formato pdf.

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9 ottobre 2007

Alcune osservazioni sulla II legge di Newton
La II legge non è una definizione di forza. I vari tipi di forza andranno introdotti indipendentemente, a seconda dei fenomeni studiati. Il linguaggio matematico naturale per la dinamica è quello del calcolo infinitesimale e delle equazioni differenziali. Nel caso di corpi di massa costante la II legge diventa la famosa F=ma. La I e la II legge sono consistenti tra loro, ma contengono informazioni diverse sulla natura del moto dei corpi.

Il principio di azione e reazione e la conservazione della quantità di moto
Ogni volta che un corpo A esercita una forza su un corpo B, il corpo B esercita su A una forza uguale e opposta. Per due corpi che interagiscono solo tra loro, la precedente affermazione implica la conservazione della quantità di moto totale, somma vettoriale delle quantità di moto dei due corpi.

Appunti su questa lezione e la precedente si trovano qui, in formato pdf.

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10 ottobre 2007

Forze costante e forza peso
Se inseriamo nella II legge di Newton una forza costante otteniamo un moto uniformemente accelerato. Un esempio di moto uniformemente accelerato osservabile in natura è il moto di caduta dei corpi in prossimità della superficie terrestre. La causa di tale moto è l'attrazione che la terra esercita su tutti i corpi. Tale attrazione la chiamiamo forza peso. Osserviamo sperimentalmente che l'accelerazione di gravità è la stessa per tutti corpi, indipendente dalla loro massa. Questo implica, sulla base della II legge di Newton, che la forza peso è proporzionale alla massa dei corpi su cui agisce.

Forza elastica e moto armonico
Alcuni materiali hanno la capacità di deformarsi in modo tale che per deformarli richiedono una forza esterna proporzionale alla deformazione. Abbiamo considerato una massa attaccata ad una molla e abbiamo definito la forza elastica (F=-kx). La II legge di Newton applicata al moto della massa soggetta alla forza della molla si trasforma in un'equazione differenziale la cui soluzione è armonica (funzioni seno e coseno), con pulsazione data dalla radice quadrata del rapporto tra costante elastica e massa.

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15 ottobre 2007

Derivate e integrali
(1 ora facoltativa) Proprietà delle derivate. Esempi di derivate di funzioni elementari. Primitiva di una funzione e integrale indefinito. Esempi di integrale.

Moto armonico
Il moto armonico causato da una forza proporzionale allo spostamento da un punto assegnato può essere anche visto come la proiezione su un asse di un moto circolare uniforme. Abbiamo visto qual è il significato delle due costanti d'integrazione e come vengono determinate dalla conoscenza delle condizioni iniziali del movimento.

Sovrapposizione di forze: peso e forza elastica
Abbiamo considerato una massa attaccata ad una molla in direzione verticale. Sulla massa agiscono contemporaneamente la forza peso e la forza elastica. Le forze si sommano vettorialmente (principo di sovrapposizione). La forza risultante entra nella II legge di Newton e determina il moto. In questo caso il moto è ancora armonico ma rispetto ad una nuova pozizione di equilibrio. La nuova posizione di equilibrio si trova imponendo che il peso e la forza elastica siano uguali in modulo e di verso opposto. La misura dell'allungamento della molla all'equilibrio può essere usata come misura della massa del corpo appeso. Abbiamo accennato all'equivalenza di massa inerziale e massa gravitazionale.

Esercizio
Esercizio di cinematica: corpo che cade da un tetto di una casa. Calcolo della traiettoria. Il corpo urta contro la parete di una casa di fronte: in quale istante e a quale altezza?

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16 ottobre 2007

Piano inclinato
Reazioni vincolari. Massa appoggiata ad un piano inclinato. Calcolo dell'accelerazione in funzione dell'angolo di inclinazione. Equilibrio di due masse collegate da un filo inestensibile, una sul piano inclinato e l'altra appesa in posizione verticale. Catena di Stevino.

Macchina di Atwood
Due masse appese ai due lati di una carrucola, tramite un filo inestensibile e di massa trascurabile. Calcolo dell'accelerazione.

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17 ottobre 2007

Pendolo
Massa appesa tramite un filo inestensibile. Oscillazioni rispetto alla posizione di equilibrio. Equazione del moto. Approssimazione di piccole ampiezze (si consiglia di vedere la pagina di Wikipedia sulla serie di Taylor oppure la pagina di HyperPhysics dedicata al pendolo semplice). Calcolo del periodo di oscillazione. Analisi dimensionale.

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22 ottobre 2007

Integrali
(1 ora facoltativa) Integrali indefiniti. Metodi di integrazione: per sostituzione di variabile, per parti, per decomposizione in somma. Esempi. Integrali definiti.

Moto di un corpo immerso in un fluido: attrito viscoso
Definizione di attrito viscoso, proporzionale alla velocità. Coefficiente di resistenza viscosa e coefficiente di viscosità. Equazione del moto per un corpo che cade in un fluido. Velocità limite. Andamenti asintotici della velocità e della legge oraria. Moto di un paracadutista, prima e dopo l'apertura del paracadute. La riduzione della gittata per un proiettile in aria. La spinta di Archimede per un oggetto esteso immerso in un fluido.

Attrito radente
Corpo che scivola su una superficie ruvida. Definizione di forza di attrito radente. Coefficiente di attrito radente (dinamico).

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23 ottobre 2007

Attrito radente
Moto di un corpo su un piano inclinato scabro. Accelerazione in funzione dell'angolo. Coefficiente di attrito statico.

Esercizio
Corpo su un piano orizzontale scabro, con velocità iniziale assegnata. Abbiamo calcolato il coefficiente di attrito dinamico in funzione dello spazio di frenata.

Esercizio
Cinematica: calcolo della profondità di un pozzo usando la misura del ritardo di tempo tra l'istante in cui si lascia cadere una pietra e l'istante in cui si sente il tonfo.

Esercizio
Pendolo conico. Relazione tra velocità angolare e angolo rispetto alla verticale.

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24 ottobre 2007

Gravitazione
Legge di attrazione gravitazionale. Abbiamo visto come Newton ha derivato l'espressione della forza di attrazione tra due masse qualsiasi a partire dalle conoscenze precedenti sui moti planetari e sulla caduta dei gravi e utilizzando i principi della dinamica. Abbiamo visto come si può predire l'accelerazione di gravità g noto il raggio della terra, la distanza terra-luna e il periodo di rotazione della luna attorno alla terra. La gravitazione è una delle interazioni fondamentali in natura.

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