Argomenti della lezione:
- Definizione di
Principio, Legge Fisica, Espressione Empirica;
- I° Principio
della Termodinamica (legge di Ohm, legge di Joule, legge di Hook);
- Energia
Potenziale (
gravitazionale,
elastica, Energia Cinetica).
Def. PRINCIPIO: è un qualcosa di vero, mai smentito
nella pratica, che non ha bisogno di essere verificato sperimentalmente perché
nessun esperimento lo ha mai smentito.
Def. LEGGE FISICA: rappresenta una semplificazione della realtà per potere
spiegare fenomeni che altrimenti risulterebbero irrisolvibili; di conseguenza
essa sarà inadaguata a spiegare fenomeni complessi.
Def. ESPRESSIONE EMPIRICA: (detta
anche “formuletta”) non deriva da uno studio finalizzato ad una formulazione ma
riguarda un intorno di una situazione analizzata attraverso una sperimentazione
eseguita per plurimi tentativi.
Per determinare il valore di K (fig. 2) eseguo un FITTING dei dati:
Es. 
La sperimantazione è alla base della fisica e della ricerca sperimentale in generale, altrimenti se tutto fosse ‘regolato’ non avrebbe più senso la stessa sperimentazione.
Una tecnica alternativa alla sperimentazione è rappresentata dalla TEORIA DEI MODELLI (che vedremo più avanti), la quale si
basa sulla riproduzione dell’oggetto dello studio in scala, tecnica efficace ed
economica.
1° PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
(anche detto Principio di Conservazione dell’Energia):
Il principio sostiene che l’energia non si crea e non si distrugge, ma si
trasforma; la funzione che esprime l’energia è regolata dalla seguente
relazione:
dove: 
(1)
E
= energia [J] Joule
F
= forza [N] Newton
x
= spostamento [m] metri
Esempio. Supponiamo di possedere una valigetta di M =
4 kg (dal 1982 il concetto di peso applicato ai corpi decade in favore della
massa); voglio determinare la forza necessaria a sollevare tale oggetto.
- Sapendo che:
(2)
dove: F = forza [N] Newton
M
= massa [kg] kilogrammi
= accelerazione di gravità (equivale a 9,81
m/s² che in Italia si approssima
a 10 m/s²)
= 4[kg]
9,81 [m/s²] =
39,24[N]
40 [N]
- Appurato che la forza è di 40 N e supponendo lo spostamento di 80 cm
avremo:
80 [cm] = 0.8 [m]
= 40[N]
0,8[m]
= 32[J]
- Sapendo inoltre
che il tempo impiegato per lo spostamento della valigetta è di 0.1s,
voglio sapere la potenza utilizzata nello spostamento:
P = 
(3)
dove: P
= potenza [W] Watt
E
= emergia [J] Joule
t
= tempo [s] secondi
P
= 
= 320[W] (fig.
5)
- Se il tempo di applicazione aumenta (es. 5s), la potenza diminuisce,
quindi:
P = 
=6,4[W] (fig. 6)
LEGGE DI OHM:
La legge prende nome dal proprio
ideatore e si esprime con la seguente funzione:
(4)
dove: V
= tensione [V] Volt
R
= resistenza [Ω] Ohm
i
= corrente [A] Ampere
LEGGE DI JOULE:
La legge prende il nome dal proprio
ideatore e si esprime con la seguente funzione:
(5)
dove: P
= potenza [W] Watt
R = resistenza [Ω] Ohm
si esprime anche
come 
da legge di Ohm
i = corrente [A] Ampere
LEGGE DI HOOK:
La legge prende il nome dal proprio
ideatore e si esprime con la seguente funzione:
(6)
dove: F
= forza [N] Newton
K
= costante (rigidezza della molla) adimensionale
x
= spostamento [m] metri
Esempio. La pila in
fig. 10, ha una tensione V =1.5V e
possiede un’energia E pari a 200J. Essa è collegata ad una
resistenza R di impedenza 100Ω. Calcolare il tempo di durata della
pila.
- Ricavo dalla
Legge di Ohm la corrente i: i
=
= 
= 0,015[A] - Applico la Legge
di Joule (5) ed ottengo:
= 100[Ω]
0,015²[A] =
0,0225[W]
- Ricavo il tempo
con la legge (3):
P
= 
= 
= 8888,
[s] =
2,4691[h]
2,5[h]
ENERGIA POTENZIALE:
E’ un energia che non è messa in luce, ma si manifesta sotto un’altra forma. Vi sono più tipi di energia potenziale:
· ENERGIA POTENZIALE GRAVITAZIONALE: è un’energia non dissipativa che il corpo ha quando è fermo.
· ENERGIA POTENZIALE ELASTICA: deriva dall’applicazione della Legge di Hook ad un corpo vincolato ad una molla, studiandone lo spostamento.
(Legge di Hook)
E = 
(7)
dove: F =
forza [N] Newton
K = costante (rigidezza della molla) adimensionale
x = spostamento [m] metri
All’atto del caricamento della molla viene impiegata una energia E che allo scaricamento della stessa non risulta uguale ma minore; il fenomeno che regola il dissiparsi dell’energia mancante, sotto altra forma energetica, viene detto ISTERESI ed è illustrato in fig. 12-13 in casi in cui la molla è composta di materiali con differente coefficiente dissipativo.
Nel caso in cui il carrello sia rilasciato all’improvviso, parte con una forza costante e accelera poi fino a raggiungere il punto di arrivo; prima del suo arresto compie un’oscillazione di tipo armonico come in fig.14.
L’ENERGIA CINETICA può eguagliare l’Energia Potenziale Elastica:
(8)
Vi sono poi altre forme di energia:
- Energia
Elettromagnetica;
- Energia
Luminosa;
- Energia
Acustica;
- …………………………
