Corso di Fisica Medica

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Saverio Foti
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1 Corso di Fisica Medica Programma: Introduzione: il metodo scientifico,grandezze fisiche, campioni e unità di misura, errori Meccanica Cinematica in una e due dimensioni Dinamica: le leggi newtoniane del moto, Energia potenziale e cinetica, Conservazione dell energia meccanica, Lavoro, Potenza,metabolismo Statica.momento di una forza, equilibrio di corpi rigidi, baricentro, Rotazione dei corpi rigidi Le onde onde meccaniche e onde elettromagnetiche Il Suono Elettricita` e Magnetismo Forze, Campi e Potenziali Elettrici, Correnti continue Magnetismo Meccanica dei fluidi Meccanica dei fluidi non viscosi, Flusso dei fluidi viscosi, Forze di coesione nei liquidi Elementi di Fisica atomica e Nucleare 1

2 Testi consigliati: - D.M.Burns, S.G.G.MacDonald Fisica per gli studenti di biologia e medicina ed. Zanichelli - A.H.Cromer Fisica per medicina-farmacia e scienze biologiche ed. Piccin - D. Halliday, R.Resnick, J.Walker Fondamenti di FISICA ed. Casa Editrice Ambrosiana - J.W.Kane, M.M.Sternheim Fisica Biomedica ed.emsi - G. Duncan Fisica per scienze biomediche ed. Ambrosiana 2

3 Introduzione Alcune domande fondamentali di che cosa si occupa la fisica? biologia e fisica quali sono i punti di incontro? in che cosa consiste il metodo scientifico I fisici cercano di comprendere le leggi fondamentali che governano il funzionamento del mondo; si tratta di descrivere la natura con metodo scientifico, i campi di interesse delle fisica vanno dalla cosmologia alle particelle subnucleari Metodo scientifico La biologia riguarda lo studio degli esseri viventi ma se osserviamo in dettaglio i processi biologici ci imbatteremo in molti fenomeni fisici che li governano: la circolazione del sangue, il trasporto di informazioni attraverso i nervi, la visione, l udito ecc. 3

4 Metodo scientifico - schematizzazione: si analizza il fenomeno naturale per gradi(es.: lancio di un sasso) individuando la causa dominante e sostituendo il fenomeno naturale con un modello semplificato che permette di stabilire correlazioni tra le osservabili (altezza massima raggiunta, tempo impiegato) - misura : associare un numero seguito da una unità di misura ad ogni ente fisico individuato come essenziale. Una grandezza fisica deve essere definita in modo operativo cioè devono essere date regole precise ed universali per misurarla. I risultati di una misura devono essere oggettivi e riproducibili. - osservazione sperimentale : individuare correlazioni quantitative tra i valori numerici delle misure (grafici e/o tabelle) - leggi : i risultati delle osservazioni vengono trascritti in relazioni matematiche - previsione: dalle leggi ottenute si possono calcolare il risultato che ci si aspetta in date condizioni - verifica sperimentale delle previsioni: rappresenta un controllo delle leggi applicate (metodo induttivo e deduttivo) 4

5 Misura Complesso di operazioni che servono a definire QUANTITATIVAMENTE una precisa qualità di un corpo o di un fenomeno. Misura diretta: la misura di qualunque grandezza fisica comporta il CONFRONTO fra la grandezza sconosciuta e un campione. Misura indiretta :si misurano grandezze diverse da quella in esame alla quale sono però legate da leggi note Es.lunghezza: confronto tra grandezze omogenee. Misura diretta a b a<b La maggior parte delle grandezze fisiche hanno delle dimensioni( es: velocità [lunghezza/tempo], pressione [forza /superficie]...) Qualunque equazione fisica deve essere dimensionalmente omogenea e solo grandezze con le stesse dimensioni possono essere sommate, sottratte ed egualiate. Sono state scelte delle grandezze fondamentali con le quali si possono esprimere tutte le altre: es.: Lunghezza, Massa, Tempo, Corrente elettrica. Per le quali è stato stabilito internazionalmente un gruppo di unità di misura chiamato MKSA 5

6 Definizione operativa di una grandezza fisica Grandezze la cui misura è diretta: - definizione di un procedimento (ripetibile) di misura Esempi: grandezza fisica - definizione di una unità di misura e di un campione di riferimento unità di misura lunghezza metro, pollice ( inch ),... tempo secondo massa chilogrammo, oncia,.. temperatura grado (Celsius,Farenheit, ) Grandezze la cui misura è indiretta ( grandezze derivate ): espresse come funzioni delle grandezze dirette esempi: velocità, accelerazione,forza... 6

7 Adottato dalla XIV Conferenza Generale di Pesi e Misure (CGPM), Parigi Sistema Internazionale (S.I.) di unità di misura Unità fondamentale unità simbolo Definizione Lunghezza metro m 1/ distanza che la luce percorre in 1s nel vuoto Tempo secondo s intervallo corrisp. a periodi della transizione fra i 2 livelli iperfini dello s.f. dell atomo 133 Cs Massa chilogrammo kg massa del campione di Pt-Ir conservato a Sèvres Corrente elettrica Ampère A corrente che in due fili rettilinei par. e infiniti distanti 1m produce una forza di N al metro Temperatura Kelvin K 1/ della temp.assoluta del punto triplodell acqua. Intensità luminosa candela cd Intensità di una sorgente di freq Hz la cui intensità è 1/683 W/sr Angolo piano radiante rad rapporto arco/raggio Angolo solido steradiante sr rapp. superficie/raggio 2

8 Evoluzione nel tempo della definizione delle unità di misura Esempio : la grandezza fondamentale lunghezza 1 metro - 1/( ) meridiani terrestri (1793) - metro campione : sbarra di platino -iridio ( 90% Pt, 10% Ir) conservata a Sevrès (Parigi) ; riproducibilità 10-7 (1889) ,73 nel 86 Kr! 2p 1 0 " 5d (1960) 5-1/ dello spazio percorso dalla luce nel vuoto in 1 secondo (1983) 8

9 Grandezze fisiche Scalari : esprimibili mediante singoli numeri (es. massa,temperatura, energia, carica elettrica ecc.) Vettoriali : per essere definite necessitano oltre che di un valore numerico (modulo), di una direzione e di un verso (es. Forza, velocità, accelerazione) Esempio: la densità è una grandezza scalare o vettoriale? Qual è la densità dell acqua espressa in unità del SI 9

10 Errori Gli errori di cui è affetta una misura sono di due tipi: Sistematici Casuali Gli errori sistematici derivano da un errato metodo di misura adottato o da strumenti mal tarati o difettosi e quindi possono essere eliminati Gli errori casuali dipendono dalla sensibilità dello strumento e non possono essere eliminati, sono responsabili della variabilità delle misure e soltanto delle misure ripetute più volte portano ad un risultato più preciso 10

11 Unit Conversions meters x 3.28 = feet centimeters x.3937 = inches miles x 5280 = feet miles x 1609 = meters Newtons x.2248 = pounds Newtons x = dynes kilograms x = slugs lb/in2 x 6895 = Pascals lb/ft2 x = Pascals miles/hour x = ft/sec miles/hour x = km/hour meters/sec x 2.24 = miles/hour km/hour x = meters/sec atmosphere x = kilopascals atmosphere x = lb/in2 lb/in2 x 51.7 = mmhg mmhg x 13.6 = mmh2o cmh2o x 980 = dyne/cm2 mmhg x 1333 = dyne/cm2 dynes/cm2 x 0.1 = pascals mmhg x = pascals cmh2o x 98 = pascals cm3 x = m3 in3 x = m3 in3 x = cm3 ft3 x = m3 liters x.001 = m3 gallons x = m3 gallons x 3785 = cm3 gallons x 231 = in3 ft-lb x = joules ergs x 0.1 = microjoule calories x = joules kilocalories x 4186 = joules kilowatt hour x 3.6 = Megajoules electron volt x 1.6 = x10-19 joules acres x = ft 11

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