Fondamenti di fisica sperimentale

1. Grandezze fisiche e Sistemi di unità di misura

1.1 Grandezze fisiche fondamentali e derivate

In fisica, una grandezza fisica è qualunque proprietà di un sistema misurabile in modo oggettivo.

Grandezze fondamentali: massa (kg), lunghezza (m), tempo (s), corrente elettrica (A), temperatura (K),

quantità di sostanza (mol), intensità luminosa (cd).

Grandezze derivate: ricavate dalle fondamentali (es.: velocità = spazio/tempo, densità =

massa/volume).

1.2 Sistemi di Unità (SI)

Sistema Internazionale (SI): adotta kg, m, s, A, K, mol, cd.

Attenzione ai multipli e sottomultipli (kilo-, deci-, micro-, nano-, ecc.).

1.3 Vettori e scalari

Grandezze scalari: definite solo da un valore numerico e un’unità di misura (es. massa, temperatura).

Grandezze vettoriali: definiti da modulo, direzione e verso (es. forza, velocità).

Operazioni con i vettori: somma (metodo punta-coda o componenti), prodotto scalare (calcola il

coseno dell’angolo), prodotto vettoriale (angolo e direzione perpendicolare al piano dei vettori).

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2. Cinematica del punto materiale

2.1 Moto rettilineo uniforme

Velocità costante: .

Legge oraria: .

2.2 Moto rettilineo uniformemente accelerato

Accelerazione costante: .

Equazioni orarie:

.

2.3 Moto circolare uniforme

Velocità tangenziale: con periodo.

Velocità angolare: .

Accelerazione centripeta: .

2.4 Moto in più dimensioni

Componente orizzontale/verticale nei moti parabolici.

Somma vettoriale delle velocità e delle accelerazioni sulle diverse componenti.

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3. Dinamica: leggi di Newton

3.1 Prima legge di Newton (Principio d’inerzia)

Un corpo rimane in quiete o in moto rettilineo uniforme se su di esso non agisce alcuna forza o se le

forze si bilanciano.

3.2 Seconda legge di Newton

.

Se la massa è costante, l’accelerazione è proporzionale alla forza netta.

3.3 Terza legge di Newton (Azione e reazione)

Se un corpo A esercita una forza su un corpo B, allora B esercita su A una forza uguale e contraria.

3.4 Forze fondamentali

Peso: .

Forza normale: reazione vincolare perpendicolare alla superficie di contatto.

Forza di attrito: statica o dinamica, diretta sempre in verso opposto allo scorrimento.

Tensione in un filo ideale: la forza esercitata dal filo sul corpo collegato.

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4. Forze di attrito e problemi classici

4.1 Attrito statico

Valore massimo: , dove è il coefficiente di attrito statico e è la forza normale.

Se la forza tangenziale è minore di max, il corpo non si muove.

4.2 Attrito dinamico (o radente)

, direzione opposta al moto.

Coefficiente dinamico di solito minore o uguale a .

4.3 Esempi tipici

Blocchi su piani inclinati, a volte con e a volte senza attrito.

Sistemi di pulegge (ideali): tensione costante nel filo, trascurando la massa della puleggia.

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5. Lavoro ed Energia

5.1 Lavoro di una forza

(se F e s costanti).

Significato geometrico: area del grafico forza-spostamento (solo nella componente nella direzione

dello spostamento).

5.2 Energia cinetica

.

Variazione di energia cinetica legata al lavoro: .

5.3 Energia potenziale

Forze conservative (come la forza peso o elastica): associata a un’energia potenziale .

Esempi:

Energia potenziale gravitazionale: .

Energia potenziale elastica (molla): .

5.4 Conservazione dell’energia

In assenza di forze dissipative (attrito), l’energia meccanica si conserva: .

Con attrito, parte dell’energia si trasforma in calore.

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6. Quantità di moto, impulsi e urti

6.1 Quantità di moto e sua conservazione

.

Se , si conserva.

6.2 Impulso

.

.

6.3 Tipi di urti

1. Urto elastico: conserva sia l’energia cinetica sia la quantità di moto.

2. Urto anelastico: conserva la quantità di moto ma l’energia cinetica non si conserva.

3. Urto completamente anelastico: i corpi si uniscono e proseguono con la stessa velocità finale.

6.4 Cenni a sistemi di riferimento

A volte conviene studiare un urto in un sistema di riferimento solidale con uno dei corpi per

semplificare i calcoli.

Trasformazioni galileiane: passaggio da un sistema inerziale all’altro in moto rettilineo uniforme.

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7. Dinamica rotazionale e momento angolare

7.1 Momento di una forza (torque)

.

Dipende dal braccio della forza e dall’angolo con cui la forza è applicata.

7.2 Momento angolare

.

Se la risultante delle coppie di forze (momenti) è nulla, si conserva .

7.3 Rotazione di un corpo rigido

Momento d’inerzia : dipende dalla distribuzione di massa rispetto all’asse di rotazione.

Equazione di moto rotazionale: , con accelerazione angolare.

Lavoro ed energia di rotazione: .

7.4 Teorema di Huygens-Steiner (o dei momenti)

Se si conosce il momento d’inerzia rispetto a un asse che passa per il centro di massa, è possibile

calcolarlo per un asse parallelo distante : .

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8. Statica dei fluidi

8.1 Densità e pressione

Densità .

Pressione , unità di misura: Pascal (Pa).

8.2 Legge di Stevino e Principio di Pascal