Italiano

Gli argomenti trattati dal corso riguardano gli aspetti più rilevanti della meccanica, fluidi, fenomeni ondulatori, termodinamica ed elettromagnetismo con particolare attenzione alle applicazioni delle principali leggi fisiche al mondo biomedico

D.Halliday, R.Resnick, J.Walker "Fondamenti di fisica"

J.W. Kane, M.M. Sternheim "Fisica Biomedica"

Fornire la conoscenza di base e gli strumenti metodologici necessari alla comprensione e all'applicazione delle leggi e dei principi della fisica ai processi biologici e fisiologici.

Conoscenze di base di matematica e fisica

lezioni frontali ed esercitazioni

Verifica intercorso: scritto su esercizi, con voto.
Esame finale: scritto su esercizi ed orale sugli argomenti trattati a lezione.

1. Introduzione al corso. Il ruolo della metodologia fisica nello sviluppo delle Scienze Biomediche.
2. Fondamenti di matematica. Equazioni di II grado. Funzione logaritmica ed esponenziale. Grafici di funzioni. Concetti di limite, derivata ed integrale. Funzioni trigonometriche
3. Il concetto di misura. Grandezze fisiche. Campioni ed unità. Il sistema internazionale di misure. I campioni di lunghezza, massa e tempo.
4. Grandezze vettoriali e scalari. Somma di vettori, metodo geometrico. Scomposizione e somma di vettori. Metodo analitico. Prodotto scalare e vettoriale.
5. Moto in una dimensione. Cinematica del punto materiale. Velocità media. Velocità istantanea. Moto rettilineo uniforme. Velocità variabile. Accelerazione. Moto con accelerazione costante.
6. Moto in due o tre dimensioni. Posizione, velocità e accelerazione. Moto con accelerazione costante. Moto di un proiettile. Moto circolare uniforme. Natura vettoriale della velocità e dell’accelerazione nel moto circolare uniforme.
7. Dinamica del punto materiale. Problema fondamentale della meccanica. La prima legge di Newton. Definizione di forza e massa. La seconda legge di Newton. Esempi di forze: forza gravitazionale e forza peso. La terza legge di Newton. Le forze di tensione. Applicazione delle leggi della dinamica. Il piano inclinato. Le forze di attrito statico e dinamico. La dinamica del moto circolare uniforme.
8. Lavoro ed energia. Lavoro fatto da una forza costante. Energia cinetica. Teorema dell’energia cinetica. Lavoro fatto da una forza variabile. Lavoro svolto da una molla. Potenza. Unità di misura del lavoro e della potenza.
9. Conservazione dell’energia. Forze conservative. Energia potenziale. Energia potenziale gravitazionale. Sistemi conservativi unidimensionali. Energia meccanica e diagramma dell’energia potenziale. Equilibrio stabile, Instabile e indifferente. Sistemi conservativi in due e tre dimensioni. Forze non conservative. La conservazione dell’energia.. Massa ed energia.
10. Cenni di cinematica e dinamica rotazionale. Le grandezze cinematiche nei moti rotatori. Rotazione con accelerazione angolare costante. Energia cinetica rotazionale e momento d’inerzia. Momento di una forza. Seconda legge di Newton per il moto rotatorio. Lavoro, potenza e teorema dell’energia cinetica. Momento angolare di un corpo rigido che ruota intorno ad un’asse fisso. Conservazione del momento angolare. Equazioni cardinali della dinamica per una o più particelle.
11. Equilibrio dei corpi rigidi. Definizione di corpo rigido. Equazioni cardinali della statica. Equilibrio statico di un corpo rigido. Baricentro. Stabilità ed equilibrio. Leve. Guadagno meccanico. Muscoli. Leve del corpo.
12. Proprietà elastiche dei materiali. Aspetti generali degli sforzi e delle deformazioni. Modulo di Young. Flessione. Taglio e torsione.
13. Meccanica dei fluidi. Definizione di fluido perfetto Statica dei fluidi. Pressione di un fluido Legge di Stevino. Legge di Pascal ed il torchio idraulico. Il principio di Archimede. Dinamica dei fluidi. Fenomeni di capillarità. Pressione atmosferica. Teorema di Bernoulli. La viscosità. Moto turbolento. Legge di Hagen-Poiseuille. Numero di Reynolds. Sistema cardiocircolatorio.
14. Moto ondulatorio. Onde e particelle. Concetto di onda. Onde trasversali e longitudinali. Lunghezza d’onda, frequenza e pulsazione. Energia e potenza delle onde in moto. Onde acustiche. Potenza ed intensità delle onde sonore. Velocità del suono. Livello di intensità sonora. Effetto Doppler. Principi fisici delle tecniche ecografiche.
15. Termologia e calorimetria. La temperatura e la sua misura. Temperature caratteristiche e termometri. Proprietà termiche della materia. Espansione termica. Capacità termica e calori specifici. Cambiamenti di fase. Conduzione del calore. Trasmissione del calore per convezione e per irraggiamento. Prima legge della termodinamica.
16. Elettrostatica. Carica elettrica. Conduttori ed isolanti. Legge di Coulomb. Quantizzazione della carica. Conservazione della carica. Campo elettrico. Campo elettrico dovuto ad una carica ed a più cariche. Flusso di un campo elettrico. Legge di Gauss. Potenziale elettrico. Energia potenziale elettrica.
17. Condensatori. Capacità dei condensatori con dielettrico. Energia immagazzinata in un condensatore. Condensatori in serie ed in parallelo. Defibrillatore.
18. Corrente elettrica e resistenza. Corrente e densità di corrente. Resistenza e resistività. Legge di Ohm. Interpretazione microscopica della legge di Ohm. La legge di Joule.
19. Campo magnetico. Forza magnetica su una carica in moto. Campi magnetici e correnti. Legge di Biot-Savart. Legge di Ampère. Principi fisici della risonanza magnetica
20. Legge di induzione di Faraday. Flusso concatenato. Legge di Lenz. Campi elettrici indotti.
21. Onde elettromagnetiche. Radiazione luminosa. Raggi X
22. Ottica geometrica. Indice di rifrazione. Cammino ottico. Leggi della riflessione. Leggi della
Rifrazione. Specchi piani. Specchi sferici. Lenti sottili. Lente d’ingrandimento. Microscopio

Italian

The topics covered by the course concern the most relevant aspects of mechanics, fluids, wave phenomena, thermodynamics and electromagnetism with particular attention to the applications of the main physical laws to biomedicine

D.Halliday, R.Resnick, J.Walker "Fundamentals of Physics"

J.W. Kane, M.M. Sternheim "Biomedical Physics"

Provide basic knowledge and methodological tools necessary for understanding and applying the laws and principles of physics to biological and physiological processes.

Basic knowledge of mathematics and physics

lessons and exercises

Exam during the lessons: written on exercises, with a mark.
Final exam: written on exercises and oral on the topics covered in class

1. Introduction. The role of physical methodology in the development of Biomedical Sciences.
2. Fundamentals of mathematics. Equations of second degree. Logarithmic and exponential function. Graphs of functions. Concepts of limit, derivative and integral. Trigonometric functions
3. The concept of measurement. Physical quantities. Samples and unity. The international system of measures. The samples of length, mass and time.
4. Vector and scalar quantities. Vector sum, geometric method. Decomposition and vector sum. Analytical method. Scalar and vector product.
5. Motion in one dimension. Kinematics of a particle. Average speed. Instantaneous velocity. Uniform rectilinear motion. Variable speed. Acceleration. Motion with constant acceleration
6. Motion in two or three dimensions. Position, speed and acceleration. Motion with constant acceleration. Projectile Motion. Uniform circular motion.
7. Dynamics of a particle. Fundamental problem of mechanics. The first law of Newton. Definition of force and mass. The second law of Newton. Examples of forces: gravitational force and the weight force. The third law of Newton. The tension forces. Application of the laws of dynamics. The inclined plane. The forces of static and dynamic friction. The dynamics of uniform circular motion.
8. Work and energy. Work done by a constant force. Kinetic energy. Kinetic energy theorem. Work done by a variable force. Work done by a spring. Power. Unit of measure for work and power.
9. Conservation of energy. Conservative forces. Potential energy. Gravitational potential energy. Dimensional conservative systems. Mechanical energy and potential energy diagram. Stable equilibrium, Unstable and indifferent. Conservative systems in two and three dimensions. Non-conservative forces. Energy conservation.
10. Overview of kinematics and dynamics of rotational motion. The kinematic quantities in rotary motions. Rotation with constant angular acceleration. Rotational kinetic energy and moment of inertia. Moment of a force. Newton's second law for rotary motion. Work, power and theorem of kinetic energy. Angular momentum of a rigid body that rotates around a fixed axis. Conservation of angular momentum. Cardinal equations of dynamics for one or more particles.
11. Equilibrium of rigid bodies. Definition of rigid body. Cardinal equations of statics. Static equilibrium of a rigid body. Center of gravity. Stability and balance. Levers. Mechanical gain. Muscles. Levers of the body.
12. Elastic properties of the materials. General of the efforts and deformations. Young's modulus. Flexion. Shear and torsion
13. Fluid mechanics. Definition of perfect fluid Atmospheric pressure Fluid statics. Pressure of a fluid Law Stevino. Pascal's law and the hydraulic press. Archimedes' principle. Fluid dynamics. Continuity equation. Bernoulli's theorem. Capillarity. Viscosity. Turbulent flow. Law of Hagen-Poiseuille. Reynolds number. Cardiovascular system.
14. Wave motion. Waves and particles. Concept of wave. Transverse and longitudinal waves. Wavelength, frequency and pulse. Energy and power of the waves in motion. Wave interference. Waves. Acoustic waves. Power and intensity of sound waves. Speed of sound. Doppler effect. Physical principles of ultrasound techniques.
15. Thermodynamics and calorimetry. Temperature and its measurement. Temperature characteristics and thermometers. Thermal properties of matter. Thermal expansion. Heat capacity and specific heat. Phase changes. Heat conduction. Heat transfer by convection and radiation. First law of thermodynamics. Second law of thermodynamics. Performance of thermal engines. Metabolism of the human body.
16. Electrostatics. Electrical charge. Conductors and insulators. Coulomb's law. Quantization of charge. Conservation of charge. Electric field. Electric field due to a charge, and more charges. Electric dipole. Electric potential energy. Electric potential.
17. Capacitors. Capacitance of the capacitors with dielectrics. Energy stored in a capacitor. Capacitors in series and in parallel. Defibrillator.
18. Electric current and resistance. Current and current density. Resistance and resistivity. Ohm's law. Microscopic interpretation of Ohm's law. Joule's Law. Electromotive force.
19. Magnetic field. Magnetic force on a moving charge. Magnetic fields and currents. Magnetic dipole. The Biot-Savart. Ampere's law. Physical principles of magnetic resonance imaging
20. Faraday's law of induction. Flux-linkage. Lenz's law. Induced electric fields.
21. Electromagnetic waves. Radiation. X-rays and applications in medicine
22. Geometrical optics. Index of refraction. Optical path. Laws of reflection. Laws of Refraction. Flat mirrors. Spherical mirrors. Thin lenses. Magnifying glass. Microscope