Alternanza Scuola-Lavoro Ciclo di lezioni di Fisica

Presentazione sul tema: "Alternanza Scuola-Lavoro Ciclo di lezioni di Fisica"— Transcript della presentazione:

1 Alternanza Scuola-Lavoro Ciclo di lezioni di Fisica
Principi fondamentali della Dinamica: un approccio basato sulla ragionevolezza alla Fisica di tutti giorni Dott. Pietro Patimisco & Dott. Angelo Sampaolo

2 FISICA: TRA FILOSOFIA E MATEMATICA
Nel 1687: Sir Isaac Newton pubblica Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica Aspetti rivoluzionari dell’opera I nuovi Principi della Filosofia sono principi matematici Assenza totale di elementi filosofici-teologici-alchemici estranei a ciò che verrà definito come vera filosofia naturale La “geometria degli antichi” e’ concepita in funzione della meccanica La geometria dunque si fonda sulla prassi della meccanica, e non è nient’altro che quella parte della meccanica universale che propone e dimostra l’arte di misurare accuratissimamente. Introduzione della Forza Gravitazionale, con azione istantanea, a distanza infinita e in assenza di un mezzo

3 CONTESTO STORICO-SCIENTIFICO

4 CONTESTO STORICO-SCIENTIFICO
La rivoluzione attuata da Newton dovette confrontarsi con le teorie all’epoca accreditate presso la Royal Society Sembra infatti che tutta la difficoltà della filosofia consista nell’investigare le forze della natura a partire dai fenomeni del moto e dopo nel dimostrare i restanti fenomeni a partire da queste forze. in continuita’ con… Galileo: centralita’ della matematica e del processo induttivo-deduttivo in discontinuita’ con… Cartesio: geometria analitica, approccio al problema fisico mediante metodo intuitivo, spiegazione di tutti i fenomeni mediante urti fra corpuscoli

5 CONTESTO STORICO-SCIENTIFICO

6 LE REGOLE DEL FILOSOFARE
Regola I: Delle cose naturali non devono essere ammesse cause più numerose di quelle che sono vere e bastano a spiegare i fenomeni. Regola II: Perciò, finchè può essere fatto, le medesime cause vanno attribuite ad effetti naturali dello stesso genere. Regola III: Le qualità dei corpi che non possono essere aumentate e diminuite, e quelle che appartengono a tutti i corpi sui quali è possibile impiantare esperimenti, devono essere ritenute qualità di tutti i corpi. Regola IV: Nella filosofia sperimentale, le proposizioni ricavate per induzione dai fenomeni, devono, nonostante le ipotesi contrarie, essere considerate vere o rigorosamente o quanto più possibile, finchè non interverranno altri fenomeni, mediante i quali o sono rese più esatte o vengono assoggettate ad eccezioni.

7 CONCETTI DI TEMPO, SPAZIO E MOTO
Lo spazio e il tempo newtoniani sono dei “contenitori” matematici e vuoti, all’interno dei quali si svolgono i molteplici moti di tutto l’universo, in chiara contrapposizione alle concezioni cartesiane: Il tempo assoluto, vero, matematico, in sè e per sua natura senza relazione ad alcunchè di esterno, scorre uniformemente, e con altro nome è chiamato durata; quello relativo, apparente e volgare, è una misura (esatta o inesatta) sensibile ed esterna della durata per mezzo del moto. Lo spazio assoluto, per sua natura senza relazione ad alcunchè di esterno, rimane sempre uguale e immobile; lo spazio relativo è una dimensione mobile o misura dello spazio assoluto, che i nostri sensi definiscono in relazione alla sua posizione rispetto ai corpi. E i moti assoluti? Rispetto a quale sistema di riferimento devono essere considerati? Il centro del sistema del mondo è in quiete

8 CONCETTI DI TEMPO, SPAZIO E MOTO

9 DEFINIZIONI GRANDEZZE FONDAMENTALI
Massa: La quantità di materia è la misura della medesima, ricavata dal prodotto della sua densità per il volume. [...] In seguito indicherò questa quantità indifferentemente con i nomi di corpo, o massa. Tale quantità diviene nota attraverso il peso di ciascun corpo. Quantita’ di Moto: La quantità di moto è la misura del medesimo ricavata dal prodotto della velocità per la quantità di materia. Inerzia: La forza insita [vis insita] della materia è la sua disposizione a resistere; per cui ciascun corpo, per quanto sta in esso, persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme. Forza: Una forza impressa è un’azione esercitata sul corpo al fine di mutare il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme.

10 Il termine forza nel senso comune indica una trazione o una spinta
CAUSE DEL MOTO: LE FORZE Il termine forza nel senso comune indica una trazione o una spinta La forza è una grandezza vettoriale: una trazione o spinta ha sempre una intensità (il modulo) una direzione un verso forze di contatto: esprimono risultato di contatto fisico tra corpi forze a distanza: agiscono attraverso lo spazio vuoto mediante i campi forza gravitazionale forza elettrica forza magnetica

11 Qualsiasi altra forza deriva da queste quattro!!!
FORZE IN NATURA In natura esistono 4 forze fondamentali con cui è possibile descrivere tutti i fenomeni naturali noti: Gravitazionale: responsabile di tutti i fenomeni astronomici è la forza che percepiamo nel modo più immediato Elettromagnetica: lega gli elettroni al nucleo è responsabile dei fenomeni elettrici e magnetici Nucleare forte: lega i mattoni elementari della materia, mantiene unite le particelle, impedisce ai nuclei di disintegrarsi per repulsione fra protoni Nucleare debole: assicura produzione di luce e calore per fusione nucleare, è responsabile dei decadimenti radioattivi. Qualsiasi altra forza deriva da queste quattro!!!

12 PRIMA LEGGE DI NEWTON Se la forza è una quantità reale deve essere misurabile deve indurre effetti che possono essere quantificati: Esperimenti concettuali di Newton su oggetti in moto su superfici senza attrito non è nella natura di un oggetto fermarsi una volta che sia posto in moto Principio di Inerzia: Un corpo rimane nel suo stato di quiete o nel suo stato di moto rettilineo a velocità costante se una forza risultante non nulla non lo costringe a variare il suo stato di moto assenza di forze implica assenza di variazione di moto, cioè assenza di accelerazione un corpo senza accelerazione si dice in equilibrio 𝐹 = 𝑎 =0

13 Esperimento PHET sul corpo in quiete e in moto sul piano senza attrito
PRIMA LEGGE DI NEWTON Esperimento PHET sul corpo in quiete e in moto sul piano senza attrito

14 La prima legge di Newton non vale in tutti i sistemi di riferimento
SISTEMI DI RIFERIMENTO INERZIALI La prima legge di Newton non vale in tutti i sistemi di riferimento un sistema di riferimento è inerziale se in esso vale la prima legge di Newton qualunque sistema di riferimento in moto con velocità costante rispetto ad un riferimento inerziale e anch’esso inerziale sistemi di riferimento accelerati NON sono inerziali esempio: Uno scuola-bus fa una brusca frenata e gli zaini appoggiati sul pavimento scivolano in avanti. Come mai? Gli zaini continuano il loro stato di moto: mantengono velocità che avevano prima della frenata, anche quando l’autobus frena. Il loro moto NON è causato da forze non vale il principio di inerzia

15 la Terra NON è un sistema inerziale
SISTEMI DI RIFERIMENTO INERZIALI la Terra NON è un sistema inerziale ac = m/s2 ac = m/s2 accelerazione centripeta verso il Sole [moto attorno al sole] accelerazione centripeta verso il centro della terra [moto attorno all’asse terrestre] sono accelerazioni piccole rispetto a g = 9.8 m/s si suppone che un sistema di riferimento vicino alla superficie terrestre sia un riferimento inerziale esempio: prove su un vagone per verificare se è un sistema inerziale

16 PRINCIPI DI RELATIVITA’ GALILEIANA
perché quando si viaggia in aereo sembra di muoversi lentamente? aereo di linea: velocità di crociera 800 km/h velocità di atterraggio 200 km/h è conseguenza del principio di relatività galileiana: non esistono differenze fisiche avvertibili tra un corpo in quiete (perfettamente fermo) e un corpo che si muove, anche a elevate velocità, con moto rettilineo uniforme (cioè a velocità e direzione costanti) In altre parole: se durante un volo aereo venissero chiusi tutti i finestrini e si riuscisse a isolare la cabina dal rumore dei motori e dalle vibrazioni, non si avrebbe alcuna possibilità di capire se si è fermi o in movimento.

17 LA MASSA INERZIALE Osservazione: una forza produce accelerazioni di intensità diversa su corpi diversi esempio: stesso calcio a palla da baseball  grande accelerazione palla da bowling  piccola accelerazione la differenza di accelerazione è dovuta alla differenza di massa 𝑚 1 𝑚 2 = 𝑎 2 𝑎 1 corpi meno massicci ricevono una accelerazione maggiore massa proprietà intrinseca di un corpo indipendente da ciò che lo circonda indipendente dal metodo di misura grandezza scalare obbedisce alle regole di aritmetica massa  peso massa: mette in relazione forza applicata al corpo e accelerazione subita peso: modulo della forza esercitata dalla terra sul corpo (varia con la posizione) 𝑚 𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎 = 𝑚 𝑙𝑢𝑛𝑎 esempio: Terra – Luna 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎 > 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑙𝑢𝑛𝑎

18 SECONDA LEGGE DI NEWTON
Il cambiamento di moto è proporzionale alla forza motrice impressa, ed avviene lungo la linea retta secondo la quale la forza è stata impressa. L’accelerazione di un oggetto è direttamente proporzionale alla forza risultante su di esso inversamente proporzionale alla sua massa ΣFx = max ΣFy= may ΣFz = maz 𝐹 𝑛𝑒𝑡 = 𝐹 = 𝑚 𝑎 ΣFx = 0 ΣFy= 0 ΣFz = 0 un corpo è in equilibrio quando la somma di tutte le forze agenti è nulla 𝐹 𝑛𝑒𝑡 =0 Dimensioni e Unità di misura Forza [M ][a]  kg  m  N  Newton s2

19 SECONDA LEGGE DI NEWTON
Esperimento PHET sul moto parabolico di un corpo sotto effetto della forza di gravità

20 TERZA LEGGE DI NEWTON Principio di Azione e Reazione: Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria: ossia, le azioni di due corpi sono sempre uguali fra loro e dirette verso parti opposte. esempio: libro B appoggiato su cassetta C FCB = forza esercitata da libro su cassetta FBC = forza esercitata da cassetta su libro le forze di azione e reazione agiscono sempre su corpi diversi: non si combinano in una forza risultante non si elidono a vicenda

21 ESEMPI DI AZIONE-REAZIONE
1. Lancio di un razzo: 2. Come camminiamo: motore spinge gas verso il basso gas spinge razzo verso l’alto la persona preme il piede spingendo indietro il terreno il terreno spinge il piede in avanti effetto indotto dalle forze di azione e reazione può essere sensibilmente differente

22 ALCUNE FORZE PARTICOLARI
Forza gravitazionale y forza di attrazione di un corpo verso un altro corpo se il secondo corpo è la terra 𝐹 =𝐺 𝑚 𝑀𝑡 𝑟 2 𝑢 𝑟 G  6.67 1011 Nm2 / kg 2 diretta verso il centro della terra ogni corpo in caduta libera subisce accelerazione g diretta verso il centro della terra g varia con la posizione geografica diminuisce all’aumentare dell’altezza 𝑔=𝐺 𝑀𝑡 𝑟 2 N.B. Altitudine (km) g (m/s2) 9.83 superficie media terrestre 8.8 9.80 Everest 36.6 9.71 max quota pallone con equipaggio 400 8.70 navette spaziali 35700 0.225 satellite geostazionario telecomunicazioni Sulla crosta terrestre il Peso di sun corpo e’ P = mg

23 ALCUNE FORZE PARTICOLARI
Forza normale Se un corpo preme su una superficie: la superficie si deforma (anche se apparentemente rigida) spinge il corpo con forza normale N N è sempre perpendicolare alla superficie stessa esempio: diagramma del corpo libero Fy  N  Fg  may N  mg  may N  mg  may  m(g  ay ) ay  0  N  mg la forza normale bilancia il peso e determina l’equilibrio che differenza c’è tra forza normale e forza peso ? sono sempre uguali ?

24 ALCUNE FORZE PARTICOLARI
y La forza normale NON è necessariamente uguale al peso ! esempio: scatola a riposo su tavolo:

25 Esperimento PHET sul moto di un corpo lungo un piano scabro
ALCUNE FORZE PARTICOLARI Esperimento PHET sul moto di un corpo lungo un piano scabro

26 Forza di Attrito Statico
ALCUNE FORZE PARTICOLARI Forza di Attrito Statico forza necessaria per mettere in moto un corpo di massa M su una superficie Proviene dalla scabrosita’ delle superfici (coinvolge anche le forze elettrostatiche)

27 Forza di Attrito Dinamico
ALCUNE FORZE PARTICOLARI Forza di Attrito Dinamico forza che si oppone a qualsiasi moto di un corpo che striscia su un materiale

28 ALCUNE FORZE PARTICOLARI
proprietà attrito fs  s N fd  d N s coefficiente attrito statico d coefficiente attrito dinamico coefficienti di attrito s, d dipendono dai materiali a contatto [0.05 <  < 1.5] d < s non dipendono dall’area di contatto parallele alla superficie e opposte al moto s, d fs , fd

29 FN è sempre perpendicolare
ALCUNE FORZE PARTICOLARI La forza normale NON è necessariamente verticale! FN è sempre perpendicolare alla superficie di appoggio Fg è sempre perpendicolare alla superficie della terra Fg FN non sempre bilancia Fg  Fx  Fg sin  max  0  Fy  FN  Fg cos  0 FN bilancia SOLO componente di Fg normale al piano di appoggio Fg

30 Esperimento sul moto di rotolamento lungo una guida inclinata
ALCUNE FORZE PARTICOLARI Esperimento sul moto di rotolamento lungo una guida inclinata

31 ALCUNE FORZE PARTICOLARI
Tensione filo fissato ad un corpo soggetto ad una forza il filo è sotto tensione il filo esercita sul corpo una forza di trazione T diretta lungo il filo nel verso di allontanamento dal corpo con modulo tensione nella corda = modulo T della forza agente sul corpo N.B. se la corda ha massa trascurabile forza esercitata ad un capo è trasmessa per tutta la corda fino al capo opposto, infatti: 𝐹 =𝑚 𝑎 =0 sempre, dato che m = 0 forze ai capi della corda sono uguali ed opposte!

32 APPLICAZIONE: UTILITA’ DI UNA CARRUCOLA
Un facchino impiega una fune passante attorno a due carrucole per sollevare un pianoforte. y Quale forza deve esercitare sulla fune? N.B. Per fune di massa trascurabile il modulo della forza tensione è lo stesso in ogni punto della fune 𝐹 =𝑚 𝑎 = 𝑇 + 𝑇 + 𝑃 ma  2T  mg Per far muovere il pianoforte con velocità costante: ma  2T  mg  0 T  mg / 2 la carrucola fornisce un vantaggio meccanico pari a 2 senza la carrucola T = mg

33 Forza centripeta [moto circolare uniforme]
ALCUNE FORZE PARTICOLARI Forza centripeta [moto circolare uniforme] corpo con: velocità v costante in modulo lungo traiettoria circolare subisce accelerazione centripeta: v2 diretta verso il centro circonferenza sempre perpendicolare a v ar  r esempio: disco su traiettoria circolare inerzia del disco: moto su linea retta tensione del filo: mantiene traiettoria circolare se rompo il filo il disco si muove lungo linea retta tangente alla circonferenza [v è infatti costante]

34 ALCUNE FORZE PARTICOLARI
Attenzione: la forza centripeta NON è un nuovo tipo di forza è una qualunque forza che causa una accelerazione centripeta esempi: palla trattenuta da un filo Fr  T rotore del parco dei divertimenti Fr  N satellite attorno alla terra traiettoria astronave in assenza di gravità

35 APPLICAZIONE: CENTRIFUGA/ULTRACENTRIFUGA DI LABORATORIO
dispositivo utilizzato per sedimentare rapidamente o separare materiali con caratteristiche diverse posizione A: la particella tende a proseguire in linea retta forza centripeta  resistenza del fluido a velocità elevate la resistenza del fluido NON riesce a mantenere le particelle sulla traiettoria circolare Le particelle raggiungono velocemente il fondo della provetta si provoca una gravità artificiale a causa dell’alta velocità di rotazione (fino a 106 g !!) rapida sedimentazione, più che in presenza di gravità normale

36 Forza centrifuga [forza apparente]
ALCUNE FORZE PARTICOLARI Forza centrifuga [forza apparente] esempio: autista dell’automobile sente una forza che lo porta verso l’esterno questa forza è detta forza centrifuga Fr = mv2/r forza centrifuga: forza apparente, viene sentita solo se l’osservatore non è fermo o in moto rettilineo uniforme [ ossia in sistemi non inerziali ] N.B. per un osservatore in moto con l’auto (sistema non inerziale): auto non è soggetta ad accelerazione introduce forza centrifuga fittizia per equilibrare forza centripeta

37 Esperimenti PHET su orbite geostazionarie e pendoli
ALCUNE FORZE PARTICOLARI Esperimenti PHET su orbite geostazionarie e pendoli

38 Forza Gravitazionale:
FORZE CENTRALI Forza Gravitazionale: forza di attrazione reciproca fra due corpi qualsiasi nell’universo Esempio di azione e reazione fra corpi macroscopici intensa fra corpi macroscopici la più debole fra le forze 𝐹 =𝐺 𝑚 𝑀𝑡 𝑟 2 𝑢 𝑟 G  6.67 1011 Nm2 / kg 2 Forza Elettrostatica: forza di attrazione/repulsione reciproca fra due cariche puntiformi esempio: sistema protone-elettrone Fg (p-e)  N Fem (p-e)  10-7 N Forza elastica: una forza direttamente proporzionale allo spostamento diretta verso il centro. linearmente proporzionale all’allungamento k = costante elastica x0 = estensione molla NON soggetta a forze x = attuale posizione della molla Legge di Hooke F  k (x  x0 ) forza necessaria per allungare o accorciare una molla: