Maurizio Zani. Fisica sperimentale. Meccanica. Termodinamica. Elettromagnetismo

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1 Maurizio Zani Fisica sperimentale Meccanica. Termodinamica. Elettromagnetismo

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3 Only the children cry... Toto 3

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5 Prefazione Questo testo è una raccolta delle lezioni svolte in aula dal sottoscritto in questi anni durante i corsi di Fisica Sperimentale ad Ingegneria presso il Politecnico di Milano. Il testo è organizzato con una sequenza che bene o male segue quella tenuta in aula. Lungi da me pensare che il testo sia esaustivo, e che consenta di evitare di frequentare le lezioni in aula; è invece uno strumento complementare, che può aiutare a seguire più agevolmente le tematiche proposte, con il supporto di avere sott occhio i procedimenti seguiti in aula. Consigli: nel testo sono contenuti degli esercizi d esempio per le diverse tematiche, evidenziati con un segno a lato come il seguente Esercizio d esempio E comunque importante che di ogni tematica trattata si capisca l ambito di validità, così da poterla applicare ai vari casi che si presentano e non fermandosi ai soli esempi presentati. Ogni termine o definizione importante compare in grassetto nel testo, e viene poi riportato per comodità nell indice degli argomenti a fondo libro; è presente anche un indice degli autori richiamati nel testo, un indice delle costanti ed un indice delle unità di misura. Errori: ne è piena la Terra, figurarsi qui dentro!! Che dire, vi sarei grato, e con me gli studenti futuri, se voleste segnalarmeli, così che questo strumento possa essere continuamente migliorato nelle successive edizioni (maurizio.zani@polimi.it) Ringraziamenti: mi fa piacere cominciare a ringraziare proprio gli studenti, dai quali molte volte ho preso ispirazione per cercare nuovi esempi che chiarissero la tematica, per continuare con i colleghi con i quali ho condiviso il compito di docente e dai quali ho appreso utili consigli per il compito dell insegnamento. Ora basta essere così seri (chi ha seguito le mie lezioni sa a cosa mi riferisco): prendete carta, penna e calamaio e... buon lavoro! Maurizio Zani Settembre,

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7 Sommario Metrologia Metodo sperimentale Scienza Fisica Grandezze fisiche Unità di misura Grandezze fondamentali e derivate Grandezze adimensionali Sistemi di unità di misura Conversioni di unità Operazioni tra grandezze con unità Analisi dimensionale Notazione Notazione scientifica Notazione ingegneristica Errori e cifre significative Errore sistematico Errore statistico Propagazione degli errori Cifre significative Arrotondamenti Cinematica del punto Cinematica scalare Sistema di riferimento Posizione Velocità Accelerazione Moto del grave Moto armonico Cinematica vettoriale Posizione Velocità Accelerazione Dinamica del punto Primo principio della dinamica Sistema di riferimento inerziale Secondo principio della dinamica Forza Massa Struttura della materia Problema fondamentale della dinamica Quantità di moto Terzo principio della dinamica Reazioni vincolari Azione e reazione Grandezze angolari Momento della forza Momento d inerzia Momento angolare Statica del punto

8 Equilibrio Forze Esempi di forze Forza d inerzia Peso Appoggio Forza d attrito Attrito radente Attrito viscoso Tensione Filo ideale Forza elastica Moto armonico libero Moto armonico smorzato Moto armonico forzato Meccanica relativa Cinematica relativa Posizione Velocità Accelerazione Dinamica relativa Forze apparenti Sistemi inerziali Sistemi non inerziali Statica relativa Meccanica relativistica Relatività speciale Misure indipendenti Simultaneità Intervallo di tempo Lunghezza longitudinale Cinematica relativistica Cinematica inerziale Principi di relatività Principi semplici Principi speciali Principi generali Relazioni integrali Impulso Impulso Impulso angolare Lavoro e potenza Lavoro Potenza Energia Energia cinetica Energia potenziale Statica del punto Energia meccanica Teoremi di conservazione

9 Meccanica dei sistemi Cinematica dei sistemi Centro di massa Densità Dinamica dei sistemi Quantità di moto Momento angolare Equazioni cardinali Relazioni integrali Impulso Impulso angolare Energia cinetica Energia potenziale Energia propria Energia interna Teoremi di conservazione Urti Urti elastici Urti anelastici Gravitazione Cinematica gravitazionale Prima legge di Kepler Seconda legge di Kepler Terza legge di Kepler Dinamica gravitazionale Forza gravitazionale Campo gravitazionale Energia potenziale gravitazionale Orbite planetarie Energia potenziale efficace Energia totale Meccanica dei solidi Meccanica dei sistemi numerosi Approccio statistico Stati della materia Proprietà elastiche Trazione Compressione Compressione idrostatica Taglio Legge di Poisson Modello atomico Meccanica dei fluidi Proprietà meccaniche Densità Pressione Taglio Proprietà elastiche Compressione idrostatica Taglio Statica dei fluidi Equazione della statica dei fluidi Legge di Stevin

10 Principio di Pascal Principio di Archimede Pressione atmosferica Equazione barometrica Fenomeni di superficie Tensione superficiale Legge di Laplace Tensione interfacciale Capillarità Modello atomico Cinematica dei fluidi Descrizione lagrangiana Descrizione euleriana Moto stazionario Dinamica dei fluidi ideali Equazione di continuità Legge di Leonardo Principio di Bernoulli Principio di Torricelli Dinamica dei fluidi viscosi Moto laminare Moto turbolento Attrito viscoso Portanza Effetto Magnus Dinamica dei fluidi comprimibili Suono Equazione dell energia Termologia Sistema termodinamico Sistema ed ambiente Grandezze termodinamiche Regola delle fasi Pressione Mole Principio zero della termodinamica Equilibrio termodinamico Principio zero della termodinamica Temperatura Scale di temperatura Termometri Dilatazione termica Dilatazione lineare Dilatazione cubica Modello atomico Primo principio della termodinamica Lavoro termodinamico Calore Equivalente meccanico della caloria Energia interna Primo principio della termodinamica Trasformazioni termodinamiche Quasi statica Reversibile Isobara Isocora Isoterma

11 Adiabatica Calore specifico Capacità termica Calore specifico Calore specifico molare Transizioni di fase Calore latente Diagramma pt Diagramma pv Trasmissione del calore Conduzione Convezione Irraggiamento Meccanica dei gas Gas ideale Legge di Avogadro Legge di Charles Legge di Gay-Lussac Legge di Boyle-Mariotte Equazione di stato dei gas Legge di Dalton Esperimento di Joule Relazione di Mayer Teoria cinetica Modello atomico Pressione Temperatura Energia interna Teorema di equipartizione dell energia Calore specifico Gas reale Sviluppo del viriale Equazione di Van der Waals Trasformazioni termodinamiche Isobara Isocora Isoterma Adiabatica Politropica Termodinamica Cicli termodinamici Macchina termica Macchina frigorifera Ciclo di Carnot Ciclo Stirling Ciclo Otto Ciclo Diesel Pompa di calore Secondo principio della termodinamica Irreversibilità Enunciato di Kelvin-Planck Enunciato di Clausius Teorema di Carnot Equazione di Clapeyron Scala termodinamica assoluta Teorema di Clausius

12 Entropia Principio di aumento dell entropia Energia degradata Potenziali termodinamici Energia interna Entalpia Energia libera di Helmholtz Energia libera di Gibbs Relazioni di Maxwell Terzo principio della termodinamica Terzo principio della termodinamica Ipotesi di Nernst-Planck Meccanica statistica Distribuzione di Maxwell-Boltzmann Velocità Energia Entropia Relazione di Boltzmann Disordine Elettrostatica Elettrizzazione Strofinio Contatto Induzione elettrostatica Polarizzazione Forza elettrica Carica elettrica Struttura della materia Forza di Coulomb Carica esploratrice Campo elettrico Campo elettrico Linee di flusso Tubo di flusso Moto di cariche Teorema di Gauss Flusso Superficie sferica Superficie generica Campo conservativo Energia potenziale elettrostatica Potenziale elettrostatico Energia elettrostatica Dipolo elettrico Interazioni create Interazioni subite Sviluppo in multipoli Formulazione differenziale Condizioni al contorno Leggi di Maxwell Energia elettrostatica Materiali conduttori Conduttore pieno

13 Conduttore carico Teorema di Coulomb Pressione elettrostatica Conduttore in campo esterno Conduttori a contatto Conduttore cavo Conduttore carico Carica nella cavità Conduttore in campo esterno Capacità elettrica Energia elettrostatica Condensatori Capacità Condensatore piano Condensatore cilindrico Condensatore sferico Energia elettrostatica Serie e parallelo Condensatori in serie Condensatori in parallelo Mutua capacità Materiali dielettrici Dielettrici Condensatore piano Lastra conduttrice Lastra dielettrica Polarizzazione Polarizzazione Condensatori Condensatori in serie Condensatori in parallelo Richiamo del dielettrico Corrente elettrica Corrente Densità di corrente Conservazione della carica Equazione di continuità Fenomeni stazionari Resistori Resistenza elettrica Prima legge di Ohm Seconda legge di Ohm Legge di Ohm infinitesima Modello di Drude Modello di Drude Velocità termica Velocità di deriva Legge di Joule Serie e parallelo Resistori in serie Resistori in parallelo

14 Superconduttori Classificazione Circuiti elettrici continui Generatori Generatore ideale Generatore reale Tipi di generatore Leggi di Kirchhoff Prima legge di Kirchhoff Seconda legge di Kirchhoff Magnetostatica Magnetizzazione Magnetizzazione Forza magnetica Linee di flusso Campo magnetico Forza magnetica Forza di Lorentz Moto di cariche Effetto Hall Seconda legge elementare di Laplace Campo magnetico Campo magnetico Prima legge elementare di Laplace Forza tra correnti Teorema di Gauss Teorema di Ampère Linea circolare Linea generica Dipolo magnetico Dipolo magnetico Spira circolare Spira rettangolare Teorema di equivalenza di Ampère Magnetone di Bohr Formulazione differenziale Condizioni al contorno Leggi di Maxwell Elettromagnetismo Relatività Fisica classica Fisica relativistica Equazioni di Maxwell Onde elettromagnetiche Bibliografia Indice Indice degli autori Indice delle costanti Indice delle unità di misura

15 Indice degli argomenti