Corso di Fisica. CdL in Scienze Infermieristiche CdL in Fisioterapia Sede di Cassino

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1 Corso di Fisica CdL in Scienze Infermieristiche CdL in Fisioterapia Sede di Cassino Docente: Deborah Lacitignola Dipartimento di Scienze Motorie e della Salute Università di Cassino d.lacitignola@unicas.it Homepage:

2 LEZIONE n.2b LA DINAMICA E IL CONCETTO DI FORZA LA PRIMA LEGGE DELLA DINAMICA LA SECONDA LEGGE DELLA DINAMICA LA TERZA LEGGE DELLA DINAMICA FORZA GRAVITAZIONALE E FORZA PESO MASSA E PESO DENSITA E PESO SPECIFICO

3 LA DINAMICA FATTO INTUITIVO N.1 : PER MODIFICARE LO STATO DI QUIETE O DI MOTO DI UN CORPO OCCORRE ESERCITARE SU DI ESSO UNA CERTA AZIONE FATTO INTUITIVO N.2 : CONSIDERIAMO UNA SFERA FERMA SU UN PIANO ORIZZONTALE. SE VIENE SPINTA, INIZIA A ROTOLARE ACQUISTANDO UNA CERTA ACCELERAZIONE. PIU ENERGICA E LA SPINTA, MAGGIORE SARA L ACCELERAZIONE

4 LA DINAMICA FATTO INTUITIVO N.3: CONSIDERIAMO UNA SFERA DI GOMMA E UNA DI ACCIAIO DI UGUALE VOLUME. ESERCITANDO SU DI ESSI LA STESSA SPINTA, ACQUISTERANNO UNA ACCELERAZIONE DIVERSA PERCHE OPPORRANNO UNA DIFFERENTE RESISTENZA AL MOTO. VARIAZIONE DELLO STATO DI MOTO O DI QUIETE AZIONE ESTERNA (INTERAZIONE CON ALTRO CORPO) INTER. A CONTATTO (SFORZO MUSCOLARE, ATTRITO.) INTER. A DISTANZA (GRAVITA, ATTR. MAGNETICA)

5 LA DINAMICA: DAL COME AL PERCHE NELLA CINEMATICA, NON CI SI PONE IL PROBLEMA DI STABILIRE PERCHE I CORPI SI MUOVONO E CHE COSA MANTENGA IL LORO STATO DI MOTO.. CINEMATICA = COME DINAMICA = PERCHE LA DINAMICA STUDIA IL MOTO DEI CORPI IN RELAZIONE ALLE AZIONI CHE LO DETERMINANO

6 IL CONCETTO DI FORZA LA DINAMICA INTRODUCE DUE NUOVE GRANDEZZE: LA FORZA (CHE ESPRIME L AZIONE) E LA MASSA (CHE ESPRIME L INERZIA DEI CORPI) LA FORZA E UNA GRANDEZZA VETTORIALE E RAPPRESENTA UNA QUALUNQUE CAUSA CHE FA VARIARE LO STATO DI QUIETE O DI MOTO DI UN CORPO

7 IL CONCETTO DI FORZA LE FORZE A CUI E SOTTOPOSTO UN CORPO POSSONO ESSERE PIU DI UNA, E I LORO EFFETTI SI SOMMANO QUINDI SE UN CORPO E FERMO, NON E DETTO CHE SU DI ESSO NON AGISCA ALCUNA FORZA: INFATTI PUO ANCHE ESSERE SOGGETTO A DUE O PIU FORZE CHE ANNULLANO A VICENDA LA PROPRIA AZIONE LA FORZA E UNA GRANDEZZA VETTORIALE E COME TALE OBBEDISCE ALLE REGOLE DEL CALCOLO VETTORIALE

8 L ESPERIENZA CI DICE CHE CON UNO SFORZO MUSCOLARE SI RIESCE A SPOSTARE UN CORPO LEGGERO MA NON UN CORPO TROPPO PESANTE PER RALLENTARE UN CORPO IN MOTO BISOGNA TRATTENERLO A FORZA O FARLO MUOVERE SU UNA SUPERFICIE RUVIDA SE UN CORPO VIENE TIRATO O SPINTO DA PARTI OPPOSTE PUO DEFORMARSI, ROMPERSI O MUOVERSI IN UNA DELLE DUE DIREZIONI A SECONDA DEL MATERIALE DI CUI E COMPOSTO E DELLA FORZA TRAINANTE I TRE PRINCIPI DELLA DINAMICA

9 IL PRIMO PRINCIPIO DELLA DINAMICA LA PRIMA LEGGE DELLA DINAMICA - DETTA ANCHE PRINCIPIO DI INERZIA AFFERMA CHE UN CORPO TENDE A MANTENERE IL PROPRIO STATO DI QUIETE O DI MOTO RETTILINEO UNIFORME FINO A QUANDO NON INTERVENGONO CAUSE ESTERNE A SOLLECITARLO

10 IL PRIMO PRINCIPIO DELLA DINAMICA CIOE SE UN CORPO E IN QUIETE RESTERA IN TALE STATO FINCHE NON GLI VERRA APPLICATA UNA FORZA OPPURE SE UN CORPO SI MUOVE DI MOTO RETTILINEO UNIFORME, CONTINUERA A FARLO FINCHE UNA FORZA ESTERNA NON INTERVERRA A MODIFICARE LA SUA VELOCITA DOMANDA PARTENDO DALL ESPERIENZA QUOTIDIANA, FORNIRE ESEMPI A SOSTEGNO DI QUESTE DUE AFFERMAZIONI

11 IL PRIMO PRINCIPIO DELLA DINAMICA SE UN CORPO E IN QUIETE RESTERA IN TALE STATO FINCHE NON GLI VERRA APPLICATA UNA FORZA MOLTO INTUITIVA!!!!!!! UNA VALIGIA PESANTE RESTA FISSA AL SUOLO NELLO STESSO PUNTO IN CUI E STATA APPOGGIATA SE NON INTERVIENE QUALCUNO CHE RIESCA A SOLLEVARLA

12 IL PRIMO PRINCIPIO DELLA DINAMICA SE UN CORPO SI MUOVE DI MOTO RETTILINEO UNIFORME, CONTINUERA A FARLO FINCHE UNA FORZA ESTERNA NON INTERVERRA A MODIFICARE LA SUA VELOCITA MENO INTUITIVA!!!!!!! UN CORPO IN MOTO, NON SOTTOPOSTO AD ALCUNA SOLLECITAZIONE ESTERNA, DOPO UN PO SI FERMA!! PERCHE? A CAUSA DELLE FORZE DI ATTRITO!! SE NON CI FOSSE ATTRITO IL MOTO CONTINUEREBBE ALL INFINITO

13 IL SECONDO PRINCIPIO DELLA DINAMICA LA SECONDA LEGGE DELLA DINAMICA AFFERMA CHE FORZA E ACCELERAZIONE SONO GRANDEZZE VETTORIALI DIRETTAMENTE PROPORZIONALI. IL LORO RAPPORTO E LA MASSA, COSTANTE DIPENDENTE DAL CORPO IN ESAME EQUAZIONE FONDAMENTALE DELLA DINAMICA

14 IL SECONDO PRINCIPIO DELLA DINAMICA F/a = COSTANTE MASSA LA MASSA (m) RAPPRESENTA LA MISURA DELL INERZIA DEL CORPO AL MOTO, ED E DUNQUE UN INDICE DELLA QUANTITA DI MATERIA DI UN CORPO E UNA PROPRIETA INTRINSECA DEL CORPO: DIPENDE CIOE DAL TIPO (NATURA, FORMA, DIMENSIONI) DI CORPO MASSA = GRANDEZZA SCALARE FONDAMENTALE

15 IL TERZO PRINCIPIO DELLA DINAMICA LA TERZA LEGGE DELLA DINAMICA DETTA ANCHE PRINCIPIO DI AZIONE E REAZIONE - AFFERMA CHE AD OGNI AZIONE, CORRISPONDE UNA REAZIONE UGUALE E CONTRARIA CIOE SE UN CORPO A ESERCITA UNA AZIONE SU UN CORPO B, A SUA VOLTA B ESERCITA SU A UNA FORZA UGUALE E CONTRARIA

16 ESEMPIO IL TERZO PRINCIPIO DELLA DINAMICA

17 UNITA DI MISURA DELLA MASSA E DELLA FORZA MASSA Kg (SI) - g (CGS) FORZA =MASSA * ACCELERAZIONE

18 UNITA DI MISURA DELLA MASSA E DELLA FORZA QUINDI INOLTRE

19 LA FORZA GRAVITAZIONALE LA FORZA GRAVITAZIONALE E UNA DELLE FORZE FONDAMENTALI DELLA NATURA, INSIEME ALLA FORZA ELETTROMAGNETICA E A QUELLA NUCLEARE. L INTERAZIONE GRAVITAZIONALE E UNA FORZA SEMPRE ATTRATTIVA CHE SI ESERCITA TRA DUE CORPI QUALSIASI E CHE DIPENDE DALLE LORO MASSE E DALLA LORO DISTANZA FU PRECISAMENTE NEWOTN AD IPOTIZZARE CHE

20 LA FORZA GRAVITAZIONALE TRA DUE CORPI PUNTIFORMI O SFERICI DI MASSA m 1 ED m 2, POSTI A DISTANZA r, SI ESERCITA SEMPRE UNA FORZA DI ATTRAZIONE: DIRETTA LUNGO LA CONGIUNGENTE DEI DUE CORPI PROPORZIONALE ALLE DUE MASSE INVERSAMENTE PROPORZIONALE AL QUADRATO DELLE LORO DISTANZE

21 LA FORZA GRAVITAZIONALE NARRA LA LEGGENDA CHE NELLA SECONDA META DEL XVII SECOLO, ISAAC NEWTON, VEDENDO CADERE UNA MELA, PARAGONO IL MOTO DELLA MELA A QUELLO DELLA LUNA ED IDEO LA LEGGE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE, UNA LEGGE DI VALIDITA GENERALE VALIDA TRA DUE CORPI QUALSIASI LEGGE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE

22 LA FORZA GRAVITAZIONALE IL TERMINE G SI CHIAMA COSTANTE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE E IL SUO VALORE NON DIPENDE DAL MEZZO IN CUI I CORPI SONO IMMERSI (VUOTO, ARIA, ACQUA..). LE DIMENSIONI FISICHE DI G SONO [G] = [ forza lunghezza 2 massa -2 ] = [ lunghezza 3 massa -1 tempo -2 ] E IL IL SUO VALORE E Il valore di G è molto piccolo e la sua determinazione sperimentale è molto delicata. La prima misura della costante di gravitazione universale fu fatta da Henry Cavendish ( ) nel 1798 per mezzo di una bilancia di torsione

23 LA FORZA GRAVITAZIONALE IL PUNTO DI PARTENZA DI NEWTON FU SUPPORRE CHE LA FORZA CHE ATTIRA UN GRAVE (LA MELA) VERSO LA TERRA SIA LA STESSA CHE TRATTIENE I PIANETI ED I SATELLITI (LA LUNA) SULLE LORO ORBITE MA IN CHE SENSO POSSIAMO DIRE CHE LA CADUTA DI UNA MELA E LA ROTAZIONE DELLA LUNA SEGUONO LA STESSA LEGGE?

24 LA FORZA GRAVITAZIONALE CONSIDERIAMO IL SISTEMA TERRA-LUNA

25 ACCELERAZIONE DI GRAVITA CONSIDERIAMO ORA FORZA CHE SI ESERCITA TRA LA TERRA (m1) ED UN OGGETTO (m2) POSTO SULLA SUPERFICIE DELLA TERRA g SI DICE ACCELERAZIONE DI GRAVITA E, NELLE VICINANZE DELLA SUPERICIE DELLA TERRA, VALE

26 FORZA PESO NE SEGUE CHE FORZA PESO Trascurando gli effetti della resistenza dell'aria, sulla Terra gli oggetti cadono sotto l'azione della forza peso con una accelerazione costante g di circa 9.8 m/s².

27 FORZA PESO FORZA PESO LA FORZA PESO E UNA GRANDEZZA VETTORIALE AVENTE MODULO mg DIREZIONE VERTICALE VERSO BASSO

28 FORZA PESO QUALE E IL MOTO DI UN CORPO SOTTO L AZIONE DELLA SOLA FORZA PESO? IN TAL CASO IL MOTO DI CADUTA DI UN GRAVE E SEMPRE UNIFORMEMENTE ACCELERATO, CON ACCELERAZIONE g NE SEGUE CHE E CHE

29 FORZA GRAVITAZIONALE...E FORZA PESO DELL AZIONE DELLA FORZA PESO ABBIAMO ESPERIENZA QUOTIDIANA SI E DETTO CHE LA FORZA GRAVITAZIONALE E UNA FORZA ATTRATTIVA CHE SI ESERCITA TRA DUE CORPI QUALUNQUE PERCHE IN GENERE NON CE NE ACCORGIAMO? ESEMPIO QUALE E L ORDINE DI GRANDEZZA DELLA FORZA DI ATTRAZIONE GRAVITAZIONALE TRA DUE CORPI DI MASSA UNITARIA (1 kg) POSTI A DISTANZA UNITARIA (1 m)?

30 FORZA GRAVITAZIONALE...E FORZA PESO ESEMPIO QUALE E L ORDINE DI GRANDEZZA DELLA FORZA DI ATTRAZIONE GRAVITAZIONALE TRA DUE CORPI DI MASSA UNITARIA (1 kg) POSTI A DISTANZA UNITARIA (1 m)? m1= m2 = 1kg massa dei due corpi r = 1 m Distanza tra i due corpi G = N m 2 / kg 2 costante di Gravitazione universale F = N

31 FORZA GRAVITAZIONALE...E FORZA PESO PERCHE NON CE NE ACCORGIAMO? A causa del piccolo valore di G la forza di gravitazione è estremamente piccola. Se i due oggetti sono sulla Terra, questa forza sarà probabilmente trascurabile rispetto ad ogni altra forza esterna sui due corpi (forza di attrito, forza peso..). La forza di attrazione gravitazionale diventa importante quando almeno una delle masse è dell'ordine di grandezza di un satellite o di un pianeta.

32 MASSA E PESO Anche se il lessico quotidiano tende ad utilizzare le parole MASSA e PESO come dei sinonimi, questi due termini hanno un significato fisico assai diverso MASSA E una proprietà fisica intrinseca e universale dei corpi, che mantiene un valore costante in qualunque punto dello spazio. E una grandezza scalare PESO Forza con cui ogni corpo dotato di massa, viene attirato dalla Terra. Il peso dipende strettamente dal valore locale dell accelerazione di gravità. E una grandezza vettoriale

33 MASSA E PESO ESEMPIO UN SASSO, NON CAMBIA LA SUA NATURA SPOSTANDOSI DALLA TERRA ALLA LUNA: LA MASSA DEL SASSO E UGUALE SULLA TERRA E SULLA LUNA La massa può dunque essere intesa come il contenuto di materia di un oggetto CiO CHE CAMBIA E LA FORZA CON CUI I DUE CORPI CELESTI ATTIRANO IL SASSO VERSO IL PROPRIO CENTRO, CIOE IL VALORE DEL SUO PESO L accelerazione di gravità sulla Luna è 1/6 di quella sulla Terra. Dunque lo stesso sasso peserebbe sulla Luna 1/6 di quanto peserebbe sulla superficie terrestre

34 UNITA DI MISURA DI MASSA E PESO MASSA (SI) PESO (SI) (UNITA DI MISURA PRATICA) ESEMPIO 80 kg peso = 80 kg * 9.8 m/s 2 = 784 N

35 DENSITA DENSITA E UNA RELAZIONE CHE LEGA LA MASSA DI UN CORPO E LE SUE DIMENSIONI. MISURE DI DENSITA (SI) (CGS) (pratiche)

36 CONVERSIONI TRA UNITA DI MISURA DI DENSITA OSSERVAZIONE MASSA 1 Kg = 10 3 g VOLUME grandezza fisica derivata. Indica lo spazio occupato da un corpo. La sua unità di misura nel S.I. è il metro cubo (m 3 ). Per i fluidi è possibile utilizzare una unità non S.I., il litro ( L ) che corrisponde ad 1 decimetro cubo ( 1 L = 1 dm 3 ) ed i suoi sottomultipli, il centilitro ( cl, 1 cl = 10 cm 3 ) e, soprattutto, il millilitro ( ml, 1 ml = 1 cm 3 ).

37 CONVERSIONI TRA UNITA DI MISURA DI DENSITA ESEMPIO LA DENSITA DELL ACQUA E PARI A 1g/cm 3???

38 CONVERSIONI TRA UNITA DI MISURA DI DENSITA 1g = 10-3 kg N.B. 1L = 1 dm 3 1dm = 10 cm 1cm = 10-1 dm=10-2 m? 1g/cm 3 = (10-3 kg)/(10-2 m) 3 = 10-3 kg /10-6 m 3 = 10 3 Kg/m 3

39 CONVERSIONI TRA UNITA DI MISURA DI DENSITA 1g = 10-3 kg N.B. 1L = 1 dm 3 1dm = 10 cm 1cm = 10-1 dm=10-2 m? 1g/cm 3 = (10-3 kg)/(10-1 dm) 3 = 10-3 kg /10-3 dm 3 = 10-3 kg/10-3 L= 1Kg/L

40 CONVERSIONI TRA UNITA DI MISURA DI DENSITA 1g = 10-3 kg N.B. 1L = 1 dm 3 1dm = 10 cm 1cm = 10-1 dm=10-2 m? 1g/cm 3 = (1g)/(10-1 dm) 3 = 1g /10-3 dm 3 = 1g/10-3 L= 10 3 g/l

41 EQUIVALENZE CON DENSITA SPESSO UTILI IN MEDICINA =? 1g = 10 3 mg N.B. 1dL = 10-1 L 1L = 1 dm 3 1dm = 10 cm

42 EQUIVALENZE CON DENSITA SPESSO UTILI IN MEDICINA =? 1g = 10 6 µg 1µg = 10-6 g N.B. 1cm = 10 mm 1mm = 10-1 cm

43 PESO SPECIFICO PESO SPECIFICO E UNA RELAZIONE CHE LEGA IL PESO DI UN CORPO E LE SUE DIMENSIONI. PESO SPECIFICO = PESO/VOLUME p s = m g/v MISURE DI PESO SPECIFICO (SI) p s = mg/v N/m 3