Introduzione alla fisica sperimentale: meccanica, termodinamica

Politecnico di Milano via Coursera

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Introduction

**Course Review: Introduzione alla fisica sperimentale: meccanica, termodinamica on Coursera** If you have ever found yourself captivated by the fundamental principles that govern the physical universe, "Introduzione alla fisica sperimentale: meccanica, termodinamica" is a course that promises to deepen your understanding of these concepts. Offering a comprehensive overview of mechanics and thermodynamics, this online course, hosted on Coursera, is a strong recommendation for anyone eager to grasp the underlying principles of experimental physics while developing essential analytical skills. ### Course Overview The course is structured to guide students progressively from the foundational aspects of physics to more complex applications. It begins with the scientific methodology, focusing on the importance of experimental approaches in understanding physical phenomena. The syllabus is divided into modules tackling kinematics, dynamics, energy, fluids, and thermodynamics, ensuring a systematic exploration of essential principles. **Key Topics Covered:** 1. **Kinematics**: The course introduces the concept of motion, explaining how objects move from one point to another. The content dives into both scalar and vector representations of motion, which are crucial for understanding how different observers might perceive the same event. 2. **Dynamics**: Building on kinematics, students explore what causes motion. The principles laid out by Newton form the backbone of this module, providing learners a robust framework to analyze forces and predict future motion based on initial states. 3. **Energy, Collisions, and Gravitation**: Energy is a cornerstone of physical phenomena. This section discusses energy's role in the motion of both single and multiple bodies, introducing students to global properties of systems and the dynamics of collisions along with gravitational force dynamics. 4. **Liquids**: Unlike solids, liquids present unique challenges in mechanical study. This module transitions the focus from rigid bodies to the behavior of fluids, emphasizing pressure and density. It introduces key concepts like Pascal’s principle and Bernoulli’s principle, which are vital for understanding everyday fluid dynamics. 5. **Thermodynamics**: The course culminates with thermodynamics, bridging mechanical phenomena with thermal phenomena. Students learn about energy transfer, heat, and how different states of matter behave under various conditions—grounding experimental principles in real-world applications, including heat engines. ### Course Structure and Learning Format The course is broken down into weekly modules, each with video lectures, reading materials, and interactive quizzes that enhance understanding. The pacing is suitable for beginners while also providing depth for more advanced learners. By integrating theory with practical experiments, participants can appreciate the applications of the physics principles studied. ### Why You Should Enroll 1. **Foundational Knowledge**: This course serves as an excellent introduction to basic physics, making it an ideal choice for students, hobbyists, or professionals looking to brush up on their understanding of mechanics and thermodynamics. 2. **Practical Applications**: The course emphasizes experimental physics, helping you relate theoretical knowledge to real-world scenarios. This skill is invaluable across numerous fields—engineering, environmental science, and beyond. 3. **Flexibility of Online Learning**: Offered on Coursera, learners can progress at their own pace, enabling a deeper personal engagement with the material. The platforms’ interactive elements, including quizzes and discussions, foster a rich learning community. 4. **Expert Instruction**: The course benefits from experienced instructors who guide learners through complex topics with clarity and expert insight, making difficult concepts accessible. ### Conclusion "Introduzione alla fisica sperimentale: meccanica, termodinamica" is more than just a course; it’s an invitation to explore the world of physics through a structured and engaging framework. With its blend of foundational concepts and experimental practices, this course is highly recommended for anyone interested in understanding the core principles that govern physical laws. Whether you are preparing for advanced studies or just curious about why things happen as they do in our universe, this course offers valuable knowledge that is practical and applicable in various scientific contexts. Enroll today and start your journey into the fascinating world of physics!

Syllabus

Cinematica

La disciplina scientifica che tratta del moto in tutti i suoi aspetti prende il nome di meccanica, che viene suddivisa per comodità in tre branche: la cinematica (come descrivere il moto), la dinamica (capirne le cause) e la statica (come eventualmente impedirlo). Ciò che verrà presentato non è il moto di un qualsiasi corpo, bensì di un sistema semplice, il più semplice possibile: il punto materiale. Dicendo punto materiale non ci si intende riferire alle dimensioni dell’oggetto (come per il punto geometrico), ma al fatto che o si sta osservando il corpo da molto lontano relativamente alle sue dimensioni o se ne sta trascurando il moto proprio. I concetti presentati saranno quelli della posizione, della velocità e dell'accelerazione, nonché alcuni esempi di moti tra i più classici e ricorrenti nella vita quotidiana. Dopo aver descritto il moto dal punto di vista della traiettoria percorsa (cinematica scalare), lo si analizzerà come un osservatore esterno (cinematica vettoriale), cambiando prospettiva: il moto è lo stesso, ma descritto diversamente a seconda dell'osservatore.

Dinamica

Dopo aver studiato come descrivere il moto, ora si vuole conoscere quale ne sia la causa, così da sapere come crearlo o, più in generale, come modificarlo; i principi che descrivono la dinamica del punto materiale sono stati analiticamente formulati da Newton, e perciò la meccanica del punto è nota anche come meccanica classica o newtoniana. Il problema generale della dinamica consiste nel determinare il moto del punto materiale una volta noto il suo stato meccanico iniziale (posizione e velocità) e quali siano le forze in gioco. Dopo la presentazione e lo studio dei tre principi della dinamica, vengono presentate alcune delle forze che si incontrano nello studio della fisica, mostrandone l'ambito di applicazione e le loro caratteristiche.

Energia, urti, gravitazione

Dall’equazione fondamentale della dinamica del punto materiale (che è espressa in forma puntuale, descrive ciò che avviene in una precisa posizione) possiamo costruire un'espressione in forma integrale, con la quale non interessarci di ciò che avviene nelle posizioni intermedie percorse dal punto, ma studiando direttamente la posizione finale che raggiungerà. Per far questo dobbiamo introdurre il concetto di energia, molto probabilmente il concetto più importante della fisica. Si analizzano poi i sistemi di punti: se per identificare la posizione di un punto servono 3 coordinate, per N punti il numero aumenta considerevolmente nel caso in cui N sia grande (è pari a 3N). Talvolta però è più significativo (e realizzabile) avere una conoscenza complessiva del sistema piuttosto che la conoscenza di ogni singola parte che lo compone. Esempi di applicazione di queste proprietà globali verranno visti studiando i fenomeni degli urti (interazioni brevi e intense tra due punti materiali) e della gravitazione universale (responsabile sia del peso sia del moto dei pianeti nel sistema solare).

Liquidi

Alcuni corpi non si possono pensare come rigidi, in quanto costituiti da moltissime particelle in continuo movimento e la cui forma (e talvolta il volume) è dettata solamente dal recipiente nel quale sono contenuti, come i fluidi (liquidi o gassosi). Poiché i fluidi non hanno forma propria, i principi e le equazioni della meccanica non vengono applicate a singole particelle (per mezzo dei concetti di massa e forza), ma a piccole porzioni di fluido (usando i concetti di densità e pressione). Come per il punto materiale, anche per i fluidi se ne può analizzare la statica (ricordando i principi di Pascal e di Archimede) per poi passare alla dinamica che ne descrive il moto tenendo conto delle forze in gioco (per mezzo della legge di Leonardo e del principio di Bernoulli).

TERMODINAMICA

La termodinamica si occupa di studiare la relazione tra i fenomeni meccanici (visti in precedenza) e quelli termici (relativi al riscaldamento) del sistema, come nel caso di forze d'attrito; in particolare, la termologia è quella branca della termodinamica che studia la generazione e la propagazione del calore, una diversa una forma di trasferimento di energia utile a produrre i fenomeni termici. La termodinamica classica non tiene conto di come sia fatta la materia, ma cerca di derivarne le proprietà e relative leggi in base all’osservazione, senza tentare di darne una spiegazione, con un approccio empirico; nasce così ad esempio la definizione di temperatura. Come in precedenza per i liquidi ideali, verrà presentato il caso del gas ideale mostrandone le caratteristiche principali, possibili sue trasformazioni e alcune applicazioni quale l'uso in macchine termiche per la produzione di lavoro.