ITALIANO

Nel corso vengono trattate le leggi classiche della meccanica del punto materiale e dei fluidi, l'analisi dei fenomeni termici, ondulatori, elettrici e magnetici. Viene data attenzione ad aspetti biomedici e alla risoluzione di problemi ad essi correlati.

Elementi di Fisica Biomedica, D. Scannicchio, E. Giroletti, Edizione II (2023), ISBN: 9788836231256

Lo scopo del corso è quello di fornire agli studenti gli elementi per una conoscenza di base dei principi fisici, per aiutarli a sviluppare senso critico ed abilità di ragionamento. Così lo studente acquisirà gli strumenti teorici e metodologici per analizzare dal punto di vista fisico i sistemi biologici e strumentali di interesse.

Conoscenza di base di Matematica e Fisica delle scuole superiori

Lezioni frontali ed esercizi

Prova scritta.

Corso mutuato con altri insegnamenti e CdL

Grandezze fisiche e misure
Definizione di grandezza fisica, definizione di misura, grandezze fondamentali e derivate, unità di misura, equazioni dimensionali, notazione scientifica.

Ripasso matematica
Equazioni di primo grado, proporzioni, conversioni tra unità di misura, potenze e loro proprietà, funzioni, sistemi di riferimento, proporzionalità diretta e inversa, esponenziali, logaritmi e loro proprietà, basi di trigonometria: funzioni seno e coseno.

Vettori
Grandezze scalari e vettoriali, componenti e modulo di un vettore, somma e differenza di vettori, prodotto scalare, prodotto vettoriale, definizione di versore

Cinematica
Traiettoria, spostamento, legge oraria, velocità media e istantanea, accelerazione media e istantanea, moto rettilineo uniforme, moto rettilineo uniformemente accelerato, grafici di spostamento, velocità e accelerazione in funzione del tempo, moto parabolico, moto circolare uniforme, velocità angolare, moto armonico.

Dinamica
I tre principi della dinamica: principio d’inerzia, definizione di forza, principio di azione e reazione, definizione di quantità di moto, principio della conservazione della quantità di moto, impulso e teorema dell’impulso, campo di forze e campi vettoriali, forza gravitazionale, accelerazione di gravità, massa inerziale e massa gravitazionale, densità

Lavoro ed Energia
leggi orarie introducendo la forza, forza elastica, definizione di lavoro, definizione di energia, principio di conservazione dell’energia totale in sistemi isolati, energia cinetica, teorema dell’energia cinetica, forze conservative e dissipative, energia potenziale, teorema della conservazione dell’energia meccanica, energia potenziale gravitazionale, moto di caduta dei gravi, potenza.

Statica dei corpi rigidi
Momento di una forza, condizioni di equilibrio traslazionale e rotazionale di un corpo rigido, vincoli, leve, tipologie di leve: 1°, 2°, 3° tipo, guadagno meccanico di una leva, esempi di leve nel corpo umano, cenni al centro di massa, cenni alle quantità fisiche che descrivono la dinamica rotazionale: momento d’inerzia, momento angolare, conservazione del momento angolare; legge di Hooke, modulo di elasticità di Young, forze d’attrito statico e dinamico.

Statica e dinamica dei fluidi
Definizione di fluidi, densità di un fluido, pressione, equilibrio di un fluido, principio di Pascal, pressione idrostatica e legge di Stevino, pressione atmosferica, principio di Archimede, portata, equazione di continuità dei fluidi, fluido in moto stazionario, teorema di Bernoulli, applicazioni biomediche: equazione di continuità in vasi sanguigni che si restringono, allargano, si dividono, stenosi e aneurismi.

Fenomeni termici
Definizione operativa di temperatura, scale termometriche, sistemi termodinamici: aperto, chiuso, isolato, energia interna, calore, caloria, principio di equivalenza calore-lavoro, calore specifico, capacità termica, principio dell’equilibrio termico, lavoro in termodinamica, tipi di trasformazioni termodinamiche, calori latenti nelle transizioni di fase, 1° e 2° principio della termodinamica (nei due enunciati di Kelvin e Clausius), meccanismi di trasmissione del calore, dilatazione termica lineare e volumica.

Fenomeni ondulatori
definizione di onda, funzioni periodiche nel tempo, onde trasversali e longitudinali, grandezze per descrivere fenomeni ondulatori: ampiezza massima, periodo, frequenza, pulsazione, lunghezza d’onda; moto armonico di onde, dipendenze dell’energia all’ampiezza d’onda per oscillatore armonico ed onde in generale, oscillazioni forzate e smorzate, intensità di un’onda; riflessione, rifrazione, legge di Snell, angolo limite e riflessione totale, effetto Doppler; cenni alle onde sonore e all’udito umano, livelli di sensazione sonora e decibel.

Fenomeni elettrici
Cariche elettriche positive e negative, conservazione della carica elettrica, forza di Coulomb, costanti dielettriche, polarizzazione di materiali, campo elettrico, linee di forza del campo elettrico per cariche puntiformi e dipoli, energia potenziale elettrostatica, potenziale elettrico e differenza di potenziale, corrente elettrica conduttori e isolanti, 1a e 2a legge di Ohm, resistenza elettrica, resistività, resistenze in serie e in parallelo, capacità elettrica, condensatori in serie e in parallelo, effetto Joule.

Fenomeni elettromagnetici
Magnetismo tra calamite, ago delle bussole, forza magnetica tra fili percorsi da corrente (legge di Ampere), permeabilità magnetica, legge di Laplace, campo magnetico, legge di Biot-Savart - campo magnetico generato da fili percorsi da corrente, forza di Lorentz, momento magnetico, principio di equivalenza di Ampere, campo magnetico al centro di spira e solenoide, linee del campo magnetico, sostanze diamagnetiche, paramagnetiche, ferromagnetiche, flusso del campo magnetico, legge di Faraday-Neumann, induttanza, corrente elettrica alternata, trasformatore,

Onde elettromagnetiche e ottica
onde elettromagnetiche e campo elettromagnetico, velocità della luce nel vuoto e nei mezzi, emissione e assorbimento di onde elettromagnetiche, spettro elettromagnetico: onde radio, microonde, infrarossi, visibile, ultravioletto, raggi x, raggi gamma; ottica fisica e ottica geometrica, cenni a interferenza e diffrazione, diffrazione della luce da prisma, indice di rifrazione, polarizzazione della luce, diottri, diottro sferico, fuochi e distanze focali, lenti, lenti sottili, formula dei punti coniugati per lenti sottili, potere diottrico, costruzione di immagini da lenti sottili, ingrandimento lineare, principio funzionamento microscopio, fibre ottiche e riflessione totale, cenni all’occhio umano, ai difetti di vista e loro correzioni: miopia, ipermetropia e presbiopia.

Italian

The covered topics are the classical principles of solid and fluid mechanics, the study of thermic, wave, electric and magnetic phenomena. Attention is given to biomedical aspects and to related problem-solving.

Elementi di Fisica Biomedica, D. Scannicchio, E. Giroletti, Edizione II (2023), ISBN: 9788836231256

The aim of the course is to provide the students the basic knowledge on the most important physical principles, to help them develop critical thinking and quantitative reasoning skills. This way, the student will acquire theoretical and methodological tools to analyze from the physics point of view biological and instrumental systems of interest.

Basic knowledge of Mathematics and Physics from high-school

Lectures and exercises

Written exam.

Course shared with other teachings and Degree Courses

Physical Quantities and Measurements
Definition of physical quantity, definition of measurement, fundamental and derived quantities, units of measurement, dimensional equations, scientific notation.

Mathematics Review
First-degree equations, proportions, unit conversions, powers and their properties, functions, reference systems, direct and inverse proportionality, exponentials, logarithms and their properties, basics of trigonometry: sine and cosine functions.

Vectors
Scalar and vector quantities, components and magnitude of a vector, vector addition and subtraction, dot product, cross product, definition of unit vector.

Kinematics
Trajectory, displacement, position-time equation, average and instantaneous velocity, average and instantaneous acceleration, uniform linear motion, uniformly accelerated linear motion, displacement, velocity, and acceleration graphs over time, projectile motion, uniform circular motion, angular velocity, harmonic motion.

Dynamics
The three laws of dynamics: inertia principle, definition of force, action-reaction principle, definition of momentum, principle of momentum conservation, impulse and impulse theorem, force fields and vector fields, gravitational force, gravitational acceleration, inertial mass and gravitational mass, density.

Work and Energy
Time equations introducing force, elastic force, definition of work, definition of energy, principle of total energy conservation in isolated systems, kinetic energy, kinetic energy theorem, conservative and dissipative forces, potential energy, mechanical energy conservation theorem, gravitational potential energy, free-fall motion, power.

Statics of Rigid Bodies
Torque, conditions of translational and rotational equilibrium of a rigid body, constraints, levers, types of levers: first, second, and third class, mechanical advantage of a lever, examples of levers in the human body, introduction to the center of mass, introduction to physical quantities describing rotational dynamics: moment of inertia, angular momentum, angular momentum conservation; Hooke’s law, Young’s modulus of elasticity, static and kinetic friction forces.

Fluid Statics and Dynamics
Definition of fluids, fluid density, pressure, fluid equilibrium, Pascal’s principle, hydrostatic pressure and Stevin’s law, atmospheric pressure, Archimedes’ principle, flow rate, fluid continuity equation, steady fluid motion, Bernoulli’s theorem, biomedical applications: continuity equation in blood vessels that narrow, widen, or divide, stenosis, and aneurysms.

Thermal Phenomena
Operational definition of temperature, temperature scales, thermodynamic systems: open, closed, isolated, internal energy, heat, calorie, heat-work equivalence principle, specific heat, thermal capacity, thermal equilibrium principle, work in thermodynamics, types of thermodynamic transformations, latent heat in phase transitions, first and second laws of thermodynamics (Kelvin and Clausius statements), heat transfer mechanisms, linear and volumetric thermal expansion.

Wave Phenomena
Definition of a wave, time-periodic functions, transverse and longitudinal waves, quantities describing wave phenomena: maximum amplitude, period, frequency, angular frequency, wavelength; harmonic motion of waves, energy dependence on amplitude for harmonic oscillators and waves in general, forced and damped oscillations, wave intensity; reflection, refraction, Snell’s law, critical angle and total internal reflection, Doppler effect; introduction to sound waves and human hearing, sound intensity levels and decibels.

Electric Phenomena
Positive and negative electric charges, charge conservation, Coulomb’s force, dielectric constants, material polarization, electric field, electric field lines for point charges and dipoles, electrostatic potential energy, electric potential and potential difference, electric current, conductors and insulators, Ohm’s first and second laws, electrical resistance, resistivity, resistors in series and parallel, electrical capacitance, capacitors in series and parallel, Joule heating effect.

Electromagnetic Phenomena
Magnetism between magnets, compass needle, magnetic force between current-carrying wires (Ampere’s law), magnetic permeability, Laplace’s law, magnetic field, Biot-Savart law - magnetic field generated by current-carrying wires, Lorentz force, magnetic moment, Ampere’s equivalence principle, magnetic field at the center of a loop and solenoid, magnetic field lines, diamagnetic, paramagnetic and ferromagnetic substances, magnetic flux, Faraday-Neumann’s law, inductance, alternating current, transformer.

Electromagnetic Waves and Optics
Electromagnetic waves and electromagnetic field, speed of light in a vacuum and in different media, emission and absorption of electromagnetic waves, electromagnetic spectrum: radio waves, microwaves, infrared, visible light, ultraviolet, X-rays, gamma rays; physical and geometric optics, introduction to interference and diffraction, light diffraction through a prism, refractive index, light polarization, diopters, spherical diopter, focal points and focal distances, lenses, thin lenses, conjugate points formula for thin lenses, dioptric power, image formation by thin lenses, linear magnification, working principle of a microscope, fiber optics and total internal reflection, introduction to the human eye, vision defects and their corrections: myopia, hyperopia, and presbyopia.