Elementi di Fisica Classe terza.

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1 Elementi di Fisica Classe terza

2 Il Sistema Internazionale delle Unità di Misura (S.I)
PREMESSA Il Sistema Internazionale delle Unità di Misura (S.I) Il processo di definizione delle unità di misura ha portato alla creazione, nel 1960, di un Sistema Internazionale di Unità di Misura (S.I) nel quale sono state definite 7 grandezze “fondamentali ” con le relative unità di misura Grandezza Unità di misura Simbolo Lunghezza Metro m Tempo Secondi s Massa Chilogrammo Kg Temperatura Gradi Kelvin K Intensità luminosa Candela c d Intensità di corrente Ampere A Carica elettrica Coulomb C A partire dalle grandezze fondamentali possono essere ricavate tutte altre grandezze fisiche che, per questo, sono dette “derivate”. (Es: l’ area A di una superficie (m2); il volume (m3), la velocità (m/s), la forza ( N )…..)

3 LE FORZE: MISURE ED EFFETTI
Forza: è una grandezza fisica, indicata con il simbolo F, grazie alla quale è possibile indagare le cause che provocano una deformazione o una modifica del movimento di un corpo. In natura sono note varie tipologie di forze: forza peso, forza d’attrito (forza che si oppone al movimento) forza magnetica, forza elastica. Una forza è un’azione prodotta da un corpo su un altro corpo in grado di produrre due possibili tipologie di effetti: statico: se il corpo viene compresso, allungato, in generale deformato dinamico: se il corpo subisce variazioni nel suo moto ( accelerato, rallentato…) Una forza può agire a distanza se i corpi su cui le forze si manifestano sono distanti a contatto se i corpi su cui le forze si manifestano sono a contatto

4 LE FORZE: MISURE ED EFFETTI
Grandezze scalari: sono grandezze completamente individuate da un dato numerico seguito da una unità di misura (intensità). Es: temperatura, tempo, densità, massa, volume Grandezze vettoriali: sono grandezze per le quali la sola intensità non è sufficiente, occorrono per una completa individuazione anche altri elementi: punto di applicazione, direzione e verso. Le forze sono grandezze vettoriali. Vettore: l’insieme di punto di applicazione, intensità, direzione e verso costituisce un ente matematico chiamato vettore. Un vettore viene rappresentato attraverso un segmento orientato in cui: - il punto di applicazione è associato all’origine del segmento - l’intensità è associata alla lunghezza del segmento secondo una opportuna unità di misura - la direzione è associata alla retta a cui appartiene il segmento - il verso è associato alla punta della freccia.

5 LE FORZE: MISURE ED EFFETTI
La legge di azione e reazione Il fisico Inglese Isaac Newton ( ) osservava che: “ ogni corpo che preme o tira un altro corpo è a sua volta premuto o tirato da esso. Se il dito preme una pietra, il dito, a sua volta, è premuto dalla pietra…”. Enunciò così il principio di azione e reazione. Se un corpo esercita una forza F su un altro corpo (azione), questo esercita sul primo una forza (reazione) che ha la stessa direzione e intensità di F, ma verso opposto Il peso di un corpo ( o forza di gravità) è la forza con cui il corpo è attirato dalla Terra, si indica con la lettera P , il punto di applicazione è nel corpo, la direzione è la retta che congiunge il corpo al centro della Terra, il verso è rivolto verso il centro della Terra. E’ opportuno osservare che massa e peso sono due grandezze differenti, la massa è uno scalare e rappresenta la quantità di materia di un corpo, il peso è una forza e quindi un vettore. Dal punto di vista delle intensità le due grandezze sono direttamente proporzionali. Vale in particolare la seguente definizione, che permette peraltro di definire una unità di misura per il peso: una massa di 1Kg sulla Terra è sottoposta ad una forza di gravità di intensità pari a 1 chilogrammo – peso (Kgp), ne segue che una persona che ha un peso di 70Kgp ha una massa di 70Kg Nel SI le forze si misurano in Newton (N) e vale, sulla superficie terrestre, la relazione: Kgp=9.8N

6 LE FORZE: MISURE ED EFFETTI
peso specifico e densità A partire dal concetto di peso si può dare la definizione di peso specifico di un corpo: peso relativo all’unità di volume P indica il peso; V indica il volume. Poiché P può essere misurato in N (nel SI) oppure in Kgp e V in m3; ps si misura in N/m3 oppure in Kgp/m3 La densità di un corpo, indicata con il simbolo δ (delta) è la massa relativa all’unità di volume, è definita dalla relazione : m è la massa e V è il volume occupato dal corpo; m si misura (nel S.I) in Kg, V in m3 e quindi la densità si misura in kg/m3 Ricordando la relazione tra massa e peso si può dedurre che: Quando il peso specifico è espresso in Kgp/m3 il valore numerico di ps coincide con quello della densità ( poiché il peso di 1Kgp corrisponde ad una massa di 1Kg); Quando il peso specifico è espresso in N/m3 il valore numerico di ps= 9.8 δ ( poiché vale l’uguaglianza: 1Kgp=9.8N );

7 LE FORZE: MISURE ED EFFETTI
La legge di Hooke In seguito all’azione di una forza, alcuni corpi modificano la loro forma e possono perciò essere classificati in: elastici: se deformati per l’azione di una forza, tornano alla loro forma originale quando l’azione cessa plastici: se deformati per l’azione di una forza, restano deformati quando l’azione cessa rigidi: se mantengono sempre la loro forma qualunque azione si applichi a essi. Definiamo elasticità la capacità di un corpo di reagire ad una forza esterna che lo deforma mediante una forza che viene chiamata forza elastica, essa si manifesta in diverse modalità: trazione, compressione, flessione, torsione

8 LE FORZE: MISURE ED EFFETTI
La legge di Hooke In seguito all’azione di una forza, alcuni corpi modificano la loro forma e possono perciò essere classificati in: elastici: se deformati per l’azione di una forza, tornano alla loro forma originale quando l’azione cessa plastici: se deformati per l’azione di una forza, restano deformati quando l’azione cessa rigidi: se mantengono sempre la loro forma qualunque azione si applichi a essi. Definiamo elasticità la capacità di un corpo di reagire ad una forza esterna, che lo deforma detta perciò elastica. L’elasticità si manifesta in diverse modalità: trazione, compressione, flessione, torsione Dallo studio dell’elasticità è stato possibile ideare lo strumento di misura della forza, il : «dinamometro»-

9 LE FORZE: MISURE ED EFFETTI
La legge di Hooke Misurando l’entità della deformazione prodotta, in seguito all’applicazione di una forza elastica, attraverso una misura della variazione di lunghezza ΔL (delta L): ΔL= Lf - Li ΔL = deformazione; Lf = lunghezza finale; Li= lunghezza iniziale per piccole deformazioni, si verifica sperimentalmente che esiste una diretta proporzionalità tra la forza deformante F e l’entità della deformazione ΔL, quindi si può scrivere: La forza elastica è la forza che si oppone alla deformazione, all’ equilibrio è uguale in intensità e direzione alla forza deformante ma ha verso opposto perciò, si può scrivere la relazione a fianco detta: LEGGE DI HOOKE Fel =-k ∙ΔL

10 L’EQUILIBRIO MECCANICO
Definizione Definizione: un corpo è in equilibrio meccanico se non tende a modificare la sua posizione: non trasla, non ruota, non rototrasla Per valutare le condizioni di equilibrio meccanico di un corpo è necessario considerare tutte le forze che intervengono su di esso: se per esempio si lascia cadere un oggetto, questi per effetto della gravità tenderebbe a spostarsi verso il basso, fino al suolo. Se però si interpone tra l’oggetto e il suolo un ostacolo, ad esempio un tavolo, l’oggetto interrompe il suo moto di caduta. Si dice perciò che il tavolo costituisce un vincolo e si chiama reazione vincolare una forza che impedisce il libero movimento del corpo

11 L’EQUILIBRIO MECCANICO
La composizione delle forze Quando ad un corpo vengono applicate due forze F1 e F2 i loro effetti si traducono in una forza detta risultante R la cui intensità direzione e verso dipende dalle forze componenti, in particolare: F1 e F2 Direzione di R Verso di R Intensità di R Direzione e verso uguali La stessa di F1 e F2 Lo stesso di F1 e F2 F1 +F2 Del maggiore F1-F2 Direzione diversa Diagonale del parallelogramma Opposto al punto di applicazione Lunghezza della diagonale un corpo è in EQUILIBRIO rispetto alla TRASLAZIONE quando la risultante delle forze su di esso applicate è 0 , cioè : F1+F2+F3+…. Fn=0 ( la somma è una somma vettoriale)

12 L’EQUILIBRIO MECCANICO
Coppia di forze e momento Definizione: una coppia di forze è costituita da due forze applicate ad un corpo rigido che agiscono su rette parallele e hanno la stessa intensità. Definizione: si chiama braccio della coppia la distanza tra le due rette di applicazione delle 2 forze L’applicazione di una coppia di forze su un corpo rigido è responsabile di una rotazione del corpo stesso i cui effetti vengono descritti da una grandezza vettoriale chiamata MOMENTO ( indicata con M) avente le seguenti caratteristiche: Intensità data dal prodotto dell’intensità di una delle forze (F) che costituiscono il braccio b per la lunghezza del braccio (b) della coppia: M=F* b Direzione: asse della rotazione prodotta dalla coppia; Verso: orario (segno -) o antiorario ( segno +) Unità di misura nel SI: N* m un corpo è in EQUILIBRIO rispetto alla ROTAZIONE quando la risultante dei momenti su di esso applicati è 0 , cioè : M1+M2+M3+…. Mn=0 ( la somma è una somma vettoriale)

13 L’EQUILIBRIO MECCANICO momento della forza resistente: Mr= Fr*br
Le macchine semplici Definizione: con il termine macchina semplice si intende un dispositivo che permette di svolgere un lavoro faticoso con uno sforzo minore, esempi sono le leve, le carriole, le carrucole Le leve sono le macchine semplici più antiche, esse sono corpi rigidi in grado di ruotare attorno ad un punto fisso detto fulcro. In una leva agiscono due momenti opposti detti rispettivamente: momento della forza motrice: Mm= Fm*bm momento della forza resistente: Mr= Fr*br Il fulcro esercita una reazione vincolare R con modulo pari alla somma dei moduli : R= Mm + Mr Confrontando l’intensità della forza motrice e della forza resistente le leve possono essere classificate in vantaggiose, ( se Fm<Fr) svantaggiose ( Fm>Fr) o indifferenti (Fm=Fr); in relazione alla posizione del fulcro rispetto alla forza resistente e alla forza motrice invece esse possono essere classificate in I, ( fulcro tra Fm e Fr) II (Fr tra fulcro e Fm) e III genere ( Fm tra fulcro e Fr)

14 PRESSIONE Definizione
La pressione P è definita come il rapporto tra la forza applicata in direzione perpendicolare ad una superficie S e la superficie stessa, rappresenta quindi la forza che agisce sull’unità di superficie E’ una grandezza scalare, misurata nel SI in N/m2 denominato Pascal (Pa) Se la forza che agisce su una superficie non è applicata perpendicolarmente alla superficie, alla pressione contribuisce sola la componente perpendicolare della forza Se, in particolare, la forza applicata è la forza peso agisce solo la componente della forza peso perpendicolare al piano d’appoggio

15 La pressione nei fluidi: il principio di Pascal
Definiamo fluidi tutte quelle sostante allo stato liquido o gassoso Un fluido non può esercitare una forza su un singolo punto, allo stesso modo, se subisce una forza essa si trasmette in tutti i punti del fluido stesso. Le forze esercita su un fluido oppure da un fluido sono quindi sempre distribuite su una superficie e, tali forze, si descrivono mediante pressioni. La pressione applicata su una superficie a contatto con un fluido, in quiete, si trasmette in modo uniforme in tutti i punti del fluido e con lo stesso valore La principale applicazione del principio di Pascal sopra scritto, si ha con il torchio idraulico: costituita da due cilindri di diametri diversi riempiti di liquido. Grazie ad esso è possibile sollevare grossi pesi applicando forze di piccola intensità poiché vale la relazione: F1 e F2 sono le forze che agiscono rispettivamente sulle superfici S1 e S2

16 PRESSIONE La legge di Stevin
Si definisce Pressione idrostatica la pressione esercita da un liquido per effetto del proprio peso, essa direttamente proporzionale dalla densità del liquido e alla profondità dello stesso la diretta applicazione della legge di Stevin si ha con il principio dei vasi comunicanti: un liquido posto in due o più recipienti collegati tra loro, raggiunge la stessa altezza indipendentemente dalla forma dei recipienti Usando la legge di Stevin Torricelli dimostrò che la pressione atmosferica al livello del mare alla temperatura di 0°C vale Pa

17 Il principio di Archimede
PRESSIONE Il principio di Archimede Un corpo immerso in un liquido, riceve una spinta ( spinta idrostatica S) dal basso verso l’alto pari al peso del liquido spostato Se V è il volume del corpo immerso, V è anche il volume del liquido spostato il cui peso del liquido sarà: Un corpo immerso in un liquido è, in generale sottoposto a due forze, la forza peso P e la spinta idrostatica S che ha stessa direzione di P ma verso opposto P Dal confronto di queste due forze, si ha che un corpo può galleggiare, ( S> P) affondare (S<P) o permanere in condizioni di equilibrio (S=P)

18 VELOCITA’ E ACCELERAZIONE
La posizione dei corpi nello spazio Un corpo è in movimento se la sua posizione rispetto ad un sistema di riferimento cambia Nella descrizione del movimento, il corpo viene considerato un punto materiale, cioè un oggetto dotato di massa ma le cui dimensioni sono trascurabili rispetto all’ambiente circostante La traiettoria è la linea formata dall’insieme delle posizioni successive assunte da un corpo durante il suo movimento, a seconda della forma della traiettoria il moto viene classificato in: rettilineo, circolare, curvilineo

19 VELOCITA’ E ACCELERAZIONE
Spostamento, tempo, velocità Un’indagine accurata del movimento di un corpo richiede la conoscenza di due grandezze: lo spostamento S e l’intervallo di tempo impiegato per effettuare lo tale spostamento. Consideriamo per semplicità il movimento di un’automobile su una strada rettilinea, fissato un punto O ( origine ), a partire dal quale si inizia ad osservare il moto, corrispondente all’istante t0 l’automobile dopo un certo tempo t1 si troverà nella posizione indicata con S1 e così di seguito all’istante t2 si troverà in S2 ecc…. Come descritto di seguito O to S1 t1 S2 t2 Il rapporto tra lo spazio percorso e il tempo impiegato a percorrerlo permette di definire una nuova grandezza, la velocità, v v è una grandezza vettoriale, si misura, nel SI, in m/s.

20 VELOCITA’ E ACCELERAZIONE
Moto rettilineo uniforme E’ il moto di un corpo che si muove seguendo una traiettoria rettilinea con velocità costante Definiamo legge oraria una funzione matematica che mette in relazione le posizione assunte dal corpo durante il suo moto e il tempo. Valgono le seguenti relazioni e le relative rappresentazioni cartesiane :

21 VELOCITA’ E ACCELERAZIONE
Moto rettilineo uniformemente accelerato Indicando con la variazione della velocità e con l’intervallo di tempo in cui essa si verifica a è una grandezza vettoriale, si misura, nel SI, in m/s2 Si definisce una nuova grandezza, l’accelerazione Il moto di un corpo che si muove seguendo una traiettoria rettilinea con accelerazione costante è detto uniformemente accelerato Valgono le seguenti relazioni In cui S è lo spazio percorso al tempo t, S0 il valore della posizione iniziale, vi la velocità iniziale , v f quella finale

22 La legge fondamentale della dinamica
FORZA E MOVIMENTO La legge fondamentale della dinamica Le forze possono produrre effetti dinamici: possono produrre una variazione della velocità del corpo oppure una variazione della direzione del moto Si è già visto in precedenza che una variazione della velocità, nel tempo provoca una accelerazione. Ci si può quindi chiedere che relazione ci sia tra la forza applicata ad un corpo di massa m e l’accelerazione che essa provoca in esso. Sperimentalmente si può verificare che l’accelerazione sarà tanto più grande quanto più intensa è la forza applicata ed inoltre anche che la stessa forza produrrà effetti diversi se i corpi hanno massa diversa, maggiore è la massa minore sarà l’accelerazione prodotta sul corpo. Il corpo inoltre si sposterà seguendo la stessa direzione e verso della forza Da ciò si deduce la seguente relazione: La forza, nel SI, quando la massa è espressa in Kg e l’accelerazione in m/s2 si misura in Newton (N) da cui

23 Forze sui corpi in movimento
Se il corpo cui è applicata la forza è inizialmente fermo, esso acquista una accelerazione, nella stessa direzione e verso della forza Se il corpo cui è applicata la forza è inizialmente in moto con una velocità v , gli effetti della forza dipendono dalla direzione della forza rispetto a quella della velocità. In genere si possono verificare le seguenti situazioni: F ha stessa direzione e verso di v: moto rettilineo uniformemente accelerato F ha stessa direzione ma verso opposto a v: moto rettilineo uniformemente decelerato F ha direzione e verso diversa rispetto a v il moto è curvilineo

24 Il principio d’inerzia
Dalla relazione Le relazioni sopra scritte portano a dire che: se un corpo è sottoposto ad una forza nulla allora non varia la sua velocità (quindi non accelera); quindi se era fermo, resta fermo, se invece era in moto allora continua con la stessa velocità segue da ciò il principio d’inerzia «Un corpo persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme se la risultante delle forze su di esso applicate è 0» e si può allora definire la massa inerziale: come il rapporto, costante per un determinato corpo, tra una qualsiasi forza che agisce su di esso e l’accelerazione ad esso impressa

25 Le forze d’attrito Sono forze che entrano in gioco ogni volta che una superficie viene a contatto con un’altra superficie. In genere si manifestano opponendosi al movimento. Considerando due superfici a contatto si distingue la : Fs forza d’attrito statico, è la minima forza che deve essere applicata al corpo per metterlo in movimento Fd forza d’attrito dinamico, è una forza che ha la stessa direzione della velocità del corpo in movimento, in generale è < di Fs Fa forza d’ attrito radente è direttamente proporzionale alla forza con cui le superfici sono premute l’una contro l’altra Fa=μ * Fp μ è il coefficiente di attrito radente ( è una grandezza adimensionale , dipende dai materiali delle superfici a contatto ) Fp è la forza premente perpendicolarmente alla superficie Fv forza d’attrito volvente , si manifesta quando si ha un rotolamento di un corpo sull’ altro