FONDAMENTI DI FISICA E MACCHINE

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1 DIPARTIMENTO DI AGRICOLTURA, ALIMENTAZIONE E AMBIENTE (Di3A) Corso di laurea in Scienze e tecnologie alimentari Anno accademico 2016/ anno FONDAMENTI DI E MACCHINE 12 CFU - 2 semestre Docenti titolari dell'insegnamento GIORGIO CONCETTO BELLIA - Modulo giorgio.bellia@ct.infn.it Edificio / Indirizzo: Laboratori Nazionali del Sud - via Santa Sofia Catania Telefono: Orario ricevimento: vedi link EMANUELE CERRUTO - Modulo ecerruto@unict.it Edificio / Indirizzo: Via S.Sofia, 100 Telefono: Orario ricevimento: dal Lun al Ven dalle 9.00 alle previo appuntamento OBIETTIVI FORMATIVI Fornire allo studente quel bagaglio di nozioni che gli permetta di affrontare i corsi più specifici del piano di studi; si è cercato pertanto di non presentare il corso come un condensato di un normale corso biennale di fisica, inserendo nel programma applicazioni nel campo agroalimentare normalmente tralasciate. La trattazione dei vari argomenti viene effettuata il più possibile formalmente corretta, restando sempre entro l'ambito delle conoscenze matematiche acquisite dallo studente nei corsi precedenti. Trasmettere agli allievi le conoscenze della meccanica di base e delle principali macchine di interesse per il settore agroalimentare, necessarie per una corretta gestione e sorveglianza dei processi produttivi. Promuovere l attenzione verso gli aspetti tecnico-ingegneristici della disciplina e la valutazione critica dei risultati numerici. PREREQUISITI RICHIESTI Consigliata la frequenza del corso di Matematica e Statistica. Superamento esame di Matematica.

2 FREQUENZA LEZIONI Consigliata, non obbligatoria Vivamente consigliata, ma non obbligatoria. CONTENUTI DEL CORSO 1 Introduzione Stato di un sistema fisico e grandezze fisicamente significative - La misura delle grandezze fisiche e gli errori di misura - Unità di misura - Equazioni dimensionali - Grandezze scalari e vettoriali - Elementi di algebra vettoriale - Rappresentazione grafica delle leggi fisiche. 2 Meccanica Descrizione del moto di un corpo - Sistemi di riferimento - Principio d'inerzia - Seconda legge della dinamica - Terza legge della dinamica - Conservazione della quantità di moto - Campi di forza - Lavoro di una forza - Teorema dell'energia cinetica - Campi conservativi - Potenziale - Conservazione dell'energia meccanica - Momento delle forze - Conservazione del momento angolare. 3 - Meccanica dei fluidi Proprietà dei fluidi - Statica dei fluidi: leggi di Pascal, Stevin e Archimede - Fluidi ideali e teorema di Bernoulli - Moto laminare di un fluido viscoso: legge di Poiseuille - Flusso turbolento - Sedimentazione - Fenomeni di superficie: legge di Laplace e fenomeni di capillarità - Diffusione di soluti - Legge di Fick -Osmosi. 4 - Fenomeni elettromagnetici Carica elettrica - Campo elettrostatico - Teorema di Gauss e sue applicazioni - Condensatori - Dielettrico - Polarizzazione del dielettrico - Corrente elettrica - Correnti elettriche nei conduttori e negli elettroliti - Leggi di Faraday - Induzione magnetica - Legge di Ampere - Campo magnetico nella materia - Forza elettromotrice indotta - Legge di Lenz - Equazioni di Maxwell - Onde elettromagnetiche. 5 - Fenomeni ondulatori Oscillazioni meccaniche libere - Energia di un oscillatore armonico - Onde progressive armoniche - Onde longitudinali e trasversali - Onde piane ed onde sferiche - Onde monocromatiche - Analisi di Fourier - Effetto Doppler - Principio di Huygens - Il suono e le sue caratteristiche - Fisica dell'orecchio - Ultrasuoni. 6 - Elementi di ottica Riflessione e rifrazione - Legge di Snell - Approssimazione dell'ottica geometrica - Diottro sferico - Lenti sottili - Costruzione geometrica delle immagini - Microscopio - Ottica fisica - Sorgenti coerenti - Interferenza - Diffrazione - Reticolo di diffrazione - Potere risolutivo di uno strumento ottico - Polarizzazione.

3 7 Elementi di Fisica moderna e delle radiazioni (cenni ) Fotoni - Relazione di Planck - Dualità onda-corpuscolo- Diffrazione degli elettroni - Principio di indeterminazione. Cenni di struttura atomica - Interazione della radiazione con la materia - Leggi di Lambert e di Beer Spettroscopia - Raggi X - Struttura del nucleo atomico - Radioattività e legge del decadimento radioattivo - Effetti biologici delle radiazioni Cenni di dosimetria e di radioprotezione. Il Sistema Internazionale di unità di misura: Grandezze fondamentali e derivate - Prefissi per multipli e sottomultipli decimali - Unità di misura delle principali grandezze fisiche di interesse per il corso. Elementi di meccanica applicata: Classificazione delle macchine - Energia e Potenza meccanica - Forze agenti nelle macchine - Condizioni di equilibrio di un corpo rigido - Equazione generale delle macchine e suo significato fisico. Rendimenti delle macchine: Definizione di rendimento - Rendimenti nei collegamenti in serie, in parallelo e in serie-parallelo- Resistenze passive: Resistenza del mezzo - Attrito radente e volvente - Coefficienti di aderenza e d attrito - Potenza dissipata per attrito - Cenni sui mezzi per ridurre l attrito (cuscinetti di strisciamento e di rotolamento, lubrificazione, principali caratteristiche dei lubrificanti). Sistemi per la trasmissione del moto: Rapporto di trasmissione - Cenni sui principali sistemi ditrasmissione (giunti, innesti, flessibili, ruote di frizione, ruote dentate) - Cenni sui sistemi per la regolazione del moto (freni e volani). Termodinamica di base: Sistema termodinamico - Primo e secondo principio della termodinamica - Principali grandezze termodinamiche (calore, lavoro, energia interna, entalpia, entropia). Trasformazioni termodinamiche: Equazione di stato dei gas perfetti - Principali trasformazioni termodinamiche dei gas perfetti (isobare, isocore, isoterme, adiabatiche, politropiche) - Cicli termodinamici - Rendimento di un ciclo termodinamico - Diagrammi di sostanze pure nei cambiamenti di stato - Miscele di liquido e vapore - Titolo di un vapore. Trasmissione del calore per conduzione: Postulato di Fourier - Conduzione in regime stazionario attraverso parete piana o cilindrica, semplice o composta - Resistenza termica di conduzione - Profili di temperatura. Trasmissione del calore per convezione: Legge di Newton - Coefficiente liminare - Conduzione e convezione attraverso parete piana o cilindrica, semplice o composta - Resistenza termica di convezione. Trasmissione del calore per irraggiamento: Legge di Stephan-Boltzmann - Trasmissione fra schermi piani neri e/o grigi. Scambiatori di calore: Tipologie costruttive e modalità di funzionamento - Scambiatori equicorrente e controcorrente - Bilancio energetico - Profili di temperatura - Dimensionamento. Termodinamica dell aria umida: Parametri fisici dell aria umida (umidità specifica, relativa e assoluta, entalpia) - Diagramma di Mollier dell aria umida.

4 Macchine frigorifere: Cicli inversi - COP di un ciclo inverso - Ciclo di Rankine inverso - Calcolo della potenza frigorifera teorica - Proprietà principali dei fluidi frigorigeni. Motori a combustione interna: Cicli teorici Otto, Diesel e Sabathé - Parti fondamentali di un motore - Classificazione dei motori (ad accensione comandata o spontanea, a due e a quattro tempi). Rendimenti - Differenze fra i cicli teorici ed effettivi - Curve caratteristiche dei motori (coppia, potenza, consumo specifico). Pompe per il settore agroalimentare: Moto stazionario dei fluidi in condotta - Bilancio di massa e di energia - Perdite di carico - Calcolo della potenza di pompaggio - Classificazione delle pompe (volumetriche alternative e rotative, fluidodinamiche) - Curve caratteristiche delle pompe. Altre macchine di interesse per il settore agroalimentare: Cenni sul principio di funzionamento di compressori, centrifughe, decanter, macchine elettriche fondamentali. TESTI DI RIFERIMENTO 1 - J.W.Jewett, R.A. Serway: Principi di Fisica, vol I, 4 edizione, EdiSES, Napoli 2 - E.Ragozzino: Principi di Fisica, EdiSES, Napoli 3 - J.R.Gordon, R.V.Mcgrew, R.A.Serway, J.W.Jewett: Guida allo studio e alla soluzione dei problemi da Principi di Fisica, III Edizione, EdiSES, Napoli 4 - R.C. Davidson: Metodi matematici per un corso introduttivo di Fisica, EdiSES, Napoli Gli studenti sono liberi di utilizzare qualunque altro testo possa essere più conveniente per loro Viene fornito dal docente tutto il materiale necessario per lo studio degli argomenti trattati in aula (dispense con la parte teorica e lucidi per lo svolgimento guidato degli esercizi). Inoltre sono consigliati i seguenti testi, formo restando la libertà di consultare qualsiasi altro testo: 1. Anzalone G., Bassignana P., Brafa Musicoro G., Fondamenti di meccanica e macchine, Hoepli. 2. Çengel Y., Termodinamica e trasmissione del calore, terza edizione, Mc GrawHill. PROGRAMMAZIONE DEL CORSO * Argomenti Riferimenti testi 1 * i punti da 1 a 6 del programma * Argomenti Riferimenti testi

5 1 * Il Sistema Internazionale di unità di misura Materiale didattico fornito dal 2 * Elementi di meccanica applicata Testo 1 - Materiale didattico fornito dal 3 * Rendimenti delle macchine Testo 1 - Materiale didattico fornito dal 4 * Resistenze passive Testo 1 - Materiale didattico fornito dal 5 Cenni sui mezzi per per ridurre l attrito Materiale didattico fornito dal 6 * Sistemi per la trasmissione del moto Testo 1 - Materiale didattico fornito dal 7 Cenni sui sistemi per la regolazione del moto Materiale didattico fornito dal 8 * Termodinamica di base Testo 1 - Testo 2 - Materiale didattico fornito dal 9 * Trasformazioni termodinamiche Testo 1 - Testo 2 - Materiale didattico fornito dal 10 * Trasmissione del calore per conduzione Testo 1 - Testo 2 - Materiale didattico fornito dal 11 * Trasmissione del calore per convezione Testo 1 - Testo 2 - Materiale didattico fornito dal 12 * Trasmissione del calore per irraggiamento Testo 1 - Testo 2 - Materiale didattico fornito dal 13 * Scambiatori di calore Testo 1 - Testo 2 - Materiale didattico fornito dal 14 * Termodinamica dell aria umida Testo 2 - Materiale didattico fornito dal 15 * Macchine frigorifere Testo 2 - Materiale didattico fornito dal 16 * Motori a combustione interna Testo 1 - Materiale didattico fornito dal 17 * Pompe per il settore agroalimentare Testo 1 - Materiale didattico fornito dal * Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame. N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame. MATERIALE DIDATTICO

6 studium.unict.it PROVA D'ESAME MODALITÀ D'ESAME L esame consiste in due prove, una scritta e una orale. Lo scritto non ha una sua valutazione e serve solo per l ammissione alla prova orale. Lo studente può decidere di completare con la parte orale nello stesso appello in cui ha svolto lo scritto o nell appello successivo. L esame consiste in due prove, una scritta e una, facoltativa, orale. Il compito scritto è strutturato in tre parti, ciascuna riferita a una parte di programma, e consiste nella risoluzione di uno o più quesiti numerici e in domande a risposta multipla e a risposta aperta. Il voto massimo della prova scritta è 27/30. Il colloquio orale, facoltativo, è successivo al superamento della prova scritta. Il risultato della prova scritta ha validità un anno accademico. 1-7: prima parte del programma 8-12: seconda parte del programma 13-18: terza parte del programma DATE D'ESAME le date d'esame si trovano al link al link sono anche riportati le date di scadenza delle prenotazioni per il C.I. e le possibili date degli orali del modulo di Fisica PROVE IN ITINERE La prova in itinere permette allo studente di acquisire parte del programma. Consiste in quesiti a risposta multipla sugli argomenti svolti, in genere, fino a metà corso. La prova è superata se la valutazione è uguale o maggiore a 18/30. La prova è valida fino agli appelli della sessione autunnale per l'anno accademico di riferimento del corso. Lo studente, per l acquisizione dei CFU del corso, deve completare l esame partecipando, nell appello prescelto, sia alla prova scritta e, se ammesso, alla prova orale. La prova scritta che

7 quella orale sono basate sugli argomenti del programma non trattati nella prova in itinere. Il voto finale è la media della valutazione della prova in itinere e quella della prova orale Due prove in itinere nei periodi di sospensione dell attività didattica, riservate agli studenti frequentanti (frequenza almeno del 70%), ciascuna riferita a una parte di programma e consistente nella risoluzione di uno o più quesiti numerici e in domande a risposta multipla e a risposta aperta. Ogni prova in itinere avrà un voto massimo di 27/30 e i risultati avranno validità un anno accademico. PROVE DI FINE CORSO nessuna Non previste. ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI Al link sono presenti i compiti dati nell'ultimo AA I compiti riportano il risultato degli esercizi e gli studenti li possono utilizzare come esercitazioni Data la similarità dei programmi, sul sito sono presenti i compiti d esame dati sin dall AA 1990/91 per il corso di Fisica per Scienze Biologiche; gli studenti possono usarli per avere una maggiore platea di esercitazioni Tutto il materiale didattico (dispense con la parte teorica, lucidi utilizzati durante le lezioni, raccolta dei testi delle prove d'esame via via assegnate negli anni precedenti) è reso disponibile sulla piattaforma STUDIUM. Gli argomenti più frequentemente richiesti in sede di colloquio orale riguardano: Unità di misura SI di grandezze di interesse (energia, potenza, pressione) Calcolo di rendimenti in macchine collegate in serie o in parallelo Attrito Condizioni di equilibrio Rapporto di trasmissione Equazione di stato dei gas perfetti e calcolo del calore e del lavoro scambiati nelle principali trasformazioni termodinamiche

8 Modalità e leggi che governano la trasmissione del calore Tipologie di scambiatori di calore e loro dimensionamento Cicli termodinamici delle macchine frigorifere Cicli termodinamici dei motori a combustione interna Calcolo della potenza di pompaggio Termodinamica dell aria umida