Ingegneria Civile

EUGENIO FAZIO

Il corso di Laboratorio di Fisica Sperimentale per gli studi di Ingegneria Civile ha l’obiettivo di fornire agli studenti una solida comprensione dei principi fondamentali della fisica attraverso l’attività sperimentale. Al termine del corso, gli studenti sono in grado di utilizzare in modo appropriato la strumentazione di base di un laboratorio, di eseguire misure fisiche con attenzione all'incertezza sperimentale, e di analizzare criticamente i dati raccolti. Il laboratorio approfondisce tematiche rilevanti per l’ingegneria, come il moto dei corpi, con particolare attenzione alle vibrazioni e al fenomeno della risonanza, le leggi della dinamica, la statica e le proprietà meccaniche dei materiali, favorendo il collegamento tra teoria e applicazione pratica. Inoltre, gli studenti sviluppano competenze trasversali fondamentali: la capacità di lavorare in gruppo, la gestione di un progetto sperimentale, e la redazione di relazioni tecniche scientificamente corrette. Il corso contribuisce in modo significativo alla formazione di un approccio scientifico e metodologico utile per affrontare problemi ingegneristici concreti.

Lo studente deve conoscere la trigonometria e l'analisi matematica, con particolare riguardo alle derivate e agli integrali. Deve sapere cosa sia un differenziale. Deve conoscere le basi della geometria analitica, il concetto di base ortonormale, la differenza tra una grandezza scalare ed una vettoriale, il prodotto vettoriale e il prodotto scalare tra vettori. Questi ultimi concetti comunque saranno ripassati durante le lezioni

1. Grandezze fisiche e loro misurazioni
Realtà e modello fisico. Misure di lunghezza e di tempo. Dimensione fisica ed equazioni matematiche dimensionali.
2. Cinematica di un corpo qualsiasi.
Scelta di un sistema di riferimento. Grandezze vettoriali e scalari. Velocità ed accelerazione in una dimensione. Legge oraria per lo spazio e la velocità. Generalizzazione della legge oraria per un moto vario considerando termini successivi all’accelerazione. Moto in più dimensioni. Traiettoria. Moto lungo la traiettoria. Derivata del vettore posizione. Derivata del vettore velocità. Moto circolare e moto armonico. Cambiamento di sistemi di riferimento (accelerati/non accelerati).
3. Dinamica di un corpo puntiforme.
Concetto di massa e di forza. Composizione delle forze (somma, differenza). Quantità di moto ed impulso. Principi della dinamica e loro applicazioni. Sistemi di riferimento inerziali e non. Accelerazione di Coriolis. Esempi di forze : forza peso, gravitazionale, elastica. Campi di forze conservativi. Tipi di attrito. Studio di processi oscillatori con e senza attrito. Oscillatore semplice, smorzato, forzato.
4. Aspetti energetici della dinamica di un corpo puntiforme.
Definizione di lavoro e potenza. Teorema del lavoro e dell’energia cinetica. Energia potenziale. Zero di energia potenziale. Forze conservative : implicazioni energetiche. Conservazione dell’energia totale. Forze non conservative : ad esempio moto in presenza di attrito.
5. Sistemi di corpi materiali.
Descrizione del moto di un sistema di corpi secondo il centro di massa. Forze interne ed esterne. Sistemi isolati. Momento di una forza rispetto ad un polo. Equazioni cardinali della dinamica. Principio di conservazione della quantità di moto. Principio di conservazione del momento della quantità di moto. Energia cinetica e potenziale per un sistema di corpi e condizioni di conservazione. Urti tra corpi. Urto centrale. Urto non centrale.
6. Influenza della forma di un corpo rigido sul suo moto.
Definizione di corpo rigido come sistema di masse a distanza fissa. Cinematica di un corpo rigido. Traslazione e rotazione di un corpo rigido. Momento d’inerzia. Corpi in rotazione rispetto ad un polo fisso : pendolo composto. Corpi in rotazione rispetto ad un polo non fisso : giroscopio, bicicletta, ruota. Moto di un corpo libero nello spazio. Energie cinetica e potenziale per la traslazione e la rotazione di un corpo rigido. Moto di rotolamento. Statica.
7. Studio macroscopico di sistemi a molti corpi : termodinamica.
Definizione di un gas come un insieme di molti corpi. Teoria cinetica dei gas. Determinazione delle grandezze macroscopiche di un gas (volume, pressione, temperatura) a partire dal comportamento microscopico medio dei singoli corpi. Esempi di grandezze termodinamiche (volume, pressione, temperatura) in sistemi dinamici a molti corpi diversi da quelli gassosi. Sistemi isolati, chiusi, aperti.
8. Termologia.
Temperatura. Scale termometriche. Espansione di solidi e liquidi. Calore e calorimetria. Trasmissione del calore: convezione/conduzione/irraggiamento.
9. Primo Principio della termodinamica.
Equilibrio termodinamico. Equazioni di stato. Trasformazioni. Lavoro meccanico e lavoro termodinamico. Trasformazioni cicliche. Calore ed energia. Energia interna. Primo principio della termodinamica. Calori specifici.
10. Secondo principio della termodinamica e le macchine termiche.
Macchine termiche. Ciclo di Carnot. Secondo principio della termodinamica. Teorema di Carnot. Ciclo frigorifero. Ciclo di Otto. Ciclo Diesel. Entropia e disuguaglianza di Clausius. Entropia di sistemi isolati. Processi irreversibili. Entropia e temperatura come variabili di stati : spazi T-S. Interpretazione microscopica dell’entropia. Studio statistico di un sistema a molti corpi. Entropia di un gas perfetto. Entropia di espansione di un gas. Il terzo principio della termodinamica.

C. Mencuccini, V. Silvestrini, Fisica I, Liguori Ed.
D. Sette, A. Alippi, Lezioni di Fisica 1: Meccanica e Termodinamica, Ed. Masson

Ogni settimana ci saranno 3 lezioni di didattica frontale di 2h di teoria e 1 lezione di didattica frontale di 2h di esercizi. Questo sarà svolto nell'arco orientativo di un semestre (3 mesi)

La frequenza non è obbligatoria anche se è caldamente consigliata per poter comprendere pienamente gli argomenti del programma. Durante le lezioni è fatto uno sforzo particolare per spiegare tutti i passaggi matematici necessari per lo svolgimento dell'argomento.
Le lezioni sono divise in teoria (lunedì/mercoledì/venerdì), esercitazioni (giovedì) e tutoraggio (il giorno dipende dalla disponibilità delle aule).

Prova scritta e orale separate.

Cinematica di un corpo materiale; i tipi di forza di attrito; il secondo principio della dinamica; le equazioni cardinali della dinamica; il momento d'inerzia di un corpo rigido; i principi della termodinamica; miscele di acqua e ghiaccio