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Lezione 10 I fluidi (1) Ezio Maina Corso di Laurea in Farmacia Anno accademico 2019 -2020 Corso di Fisica

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Lezione 10I fluidi (1)

Ezio Maina

Corso di Laurea in FarmaciaAnno accademico 2019 -2020

Corso di Fisica

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Lezione 10Corso di Laurea in Farmacia: Fisica

2019/2020 2

La densità

La pressione

L’equazione di continuità

Il teorema di Bernoulli

Stenosi e aneurisma

La lezione di oggi

S2S1

v1 v2

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2019/2020 3

Densità, pressioneLa portata di un condottoIl teorema di BernoulliApplicazioni dell’equazione di BernoulliStenosi e aneurisma

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2019/2020 4

La densità è definita come Vm =ρ

La densità

Sostanza Aria Polistirolo espanso

Olio d’oliva

Acqua dolce

Acqua di mare Alluminio Ferro

Densita’ (kg/m3) 1.29 100 920 1000 1025 2700 7860

Dimensioni: [ML-3]Unita’ di misura SI: kg/m3

Osmio

22661

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2019/2020 5

La pressione è definita comeareaforza

AF P ==

La pressione

Dimensioni: [MLT-2][L-2]=[ML-1T-2]Unita’ di misura SI: Pa (pascal) = N/m2

Esempio: Calcolare la pressione esercitata sulla pelle, quando si preme con una forza di 3 N con un dito (area=10-4 m2) e con un ago ipodermico (sezione 2x10-7 m2)

Pa103m10

N 3P 424dito ×== -

Pa101.5m102

N 3P 727ago ×=

×= -

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2019/2020 6

Area grande = Pressione piccola

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2019/2020 7

S

Quale forza devo usare ?

FF^

Nel calcolo della pressione, devo sempre usare la componente della forza

perpendicolare (normale) alla superficie

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2019/2020 8

Il fluido esercita sul corpo...

... una forza uguale in ogni direzione e

perpendicolare alla superficie

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2019/2020 9

Pressione atmosferica

È la pressione esercitata dalla colonna di aria (atmosfera) che sta sopra di noi

atm 1 bar 1 kPa 101 Pa 101.013P 5atm ===×=

La pressione atmosferica agisce

in modo uguale in tutte le direzioni

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2019/2020 10

La pressione relativa

Pressione interna: pressione assoluta

Patmosferica

Pinterna

Pressione relativa: differenza tra

pressione interna e pressione atmosferica

atmrel P -P P =

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2019/2020 11

Densità, pressioneLa portata di un condottoIl teorema di BernoulliApplicazioni dell’equazione di BernoulliStenosi e aneurisma

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2019/2020 12

Liquido perfetto (incomprimibile, non viscoso)Condotto rigidoMoto stazionarioFlusso laminare

Oggi lavoreremo con:

Conservazione dell’energia meccanica

Portata di un condotto

=Q Unità di misura (S.I.):

m3/s

SDx = v·Dt

AVolume di liquido che attraversa una sezione nell’unità di tempo

ΔtV= vS ×=

× ΔtΔxS =

××ΔtΔtvS

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2019/2020 13

In regime di moto stazionario, la portata è la stessa in ogni

sezione del condotto

Equazione di continuità

S1S2

v1 v2

La sezione aumenta,

la velocità diminuisce

La sezione diminuisce,

la velocità aumenta

costantevSQ =×=

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2019/2020 14

Densità, pressioneLa portata di un condottoIl teorema di BernoulliApplicazioni dell’equazione di BernoulliStenosi e aneurisma

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2019/2020 15

Liquido perfetto (incomprimibile, non viscoso)Condotto rigidoMoto stazionarioFlusso laminare

Conservazione dell’energia meccanica

Il teorema di Bernoulli

E L D=

2211 x F - x F L DD= 222111 x A p - x A p DD= 2211 V p - V p = V )p - (p 21=

V1 = V2 = V per l’equazione di continuità

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2019/2020 16

Il teorema di Bernoulli

) v- (v m 21 )y - (y mg E 2

12212 +=D

variazioneenergia potenziale

variazioneenergia cinetica

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2019/2020 17

) v- (v m 21 )y - (y mg V )p - (p 2

1221221 +=

E L D=

Divido entrambi i membri per V

) v- (v Vm

21 )y - (y g

Vm )p - (p 2

1221221 +=

) v- (v 21 )y - (y g )p - (p 2

1221221 rr +=

22221

211 p v

21gh p v

21gh ++=++ rrrr

Dopo qualche passaggio...

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2019/2020 18

costantepv21gh 2 =++ rr

Energia potenziale mgh

per unità di volume

Energia cinetica ½mv2 per unità

di volume

Lavoro delle forze di

pressione per unità di volume

Il teorema di Bernoulli

Divido entrambi i membri per rg

costantegp

2gvh2

=++r

altezza

geometrica altezza

cinetica

altezza

piezometrica

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2019/2020 19

Densità, pressioneLa portata di un condottoIl teorema di BernoulliApplicazioni dell’equazione di BernoulliStenosi e aneurisma

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2019/2020 20

Legge di Stevino(effetto del peso del fluido)

22221

211 p v

21gh p v

21gh ++=++ rrrr

h1 h2

y

Il fluido è in quiete

)h - (h g p p 2112 r+= gh p 1 r+=

ghpp atmtot r+=

pressione idrostatica

In un fluido in equilibrio, la pressione interna dipende solo dalla profondità h

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Lezione 10 21

Pressione idrostaticaCorso di Laurea in Farmacia: Fisica

2019/2020

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2019/2020 22

Il barometrogh gh 0 Patm rr =+=

m 10 )ms (9.8 )mkg 10(

Pa 101.013 g

P h 2-3-3

5atm

acqua =×

×==

r

Se uso acqua

m 0.76 )ms (9.8 )mkg 103595.1(

Pa 101.013 g

P h 2-3-4

5atm

mercurio =×××

==r

Se uso mercurio

Unità di misura della pressione atmosferica:

1 Torr = 1 mmHg

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2019/2020 23

Il principio di Archimede

Forza verso il basso2

111 LP A P F ×=×=

Forza verso l’alto2

222 LP A P F ×=×=gL P P 12 r+=

31

321

212 gL F gL LP LgL) (P F rrr +=+=×+=

Occhio a:

•la densità deve essere giusta

•L’accelerazione deve essere giusta

•Il corpo deve essere totalmente immerso

gV F entogalleggiam r=

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2019/2020 24

Esercizio: Il diavoletto di Cartesio

Osservo:Quando schiaccio la bottiglia, il diavoletto scende

Bottiglia di plastica, piena d’acquaDiavoletto di Cartesio (involucro di massa m, pieno d’aria)

Perchè:La bolla d’aria si comprimeIl volume diminuisceDiminuisce la spinta di Archimede

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2019/2020 25

Legge di Torricelli

22221

211 p v

21gh p v

21gh ++=++ rrrr

La superficie libera dell’acqua è

immobile

La pressione esterna è uguale per i 2 punti (patmosferica)

h2 è uguale a 0 per costruzione (origine

dell’asse y)

221 v

21gh rr = semplifico r 2

21 v21gh =

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2019/2020 26

Legge di Torricelli

2gh v =

Identica alla velocità di un grave che cade

da un’altezza h

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2019/2020 27

Il sifone

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Il sifone

Pascal + Campo Conservativo

La condizione è che sia uguale la PRESSIONE

NOTA: deve valere sia con una SOVRApressione che con una DEpressioneLezione 10

Corso di Laurea in Farmacia: Fisica 2019/2020 28

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Identica alla velocità di un grave che cade

da un’altezza h2gh v =

h h

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2019/2020 29

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30

2gh v =Identica alla velocità di un grave che cade

da un’altezza h

h

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2019/2020

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2019/2020 31

Differenza di velocità in 1 rispetto a 2 à

Differenza di Pressione 1 vs. 2

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2019/2020 32

Densità, pressioneLa portata di un condottoIl teorema di BernoulliApplicazioni dell’equazione di BernoulliStenosi e aneurisma

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Lezione 10Corso di Laurea in Farmacia: Fisica

2019/2020 33

S2 > S1 v2 < v1

S2S1

v1 v2

Q = costante

L’aneurisma

S1 v1 = S2 v2

Applicando il teorema di Bernoulli (h1 = h2):

v2 < v1 p2 > p1

L’aneurisma tende a peggiorare

222

211 vρ

21p vρ

21p +=+

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Lezione 10Corso di Laurea in Farmacia: Fisica

2019/2020 34

h1 = h2

Q = costanteS1 v1 = S2 v2

S2 < S1 v2 > v1

la stenosi tende a peggiorare

v2 > v1 p2 < p1

Applicando il teorema di Bernoulli (h1 = h2):

222

211 vρ

21p vρ

21p +=+

Applicazione dell’equazione di Bernoulli

La stenosi

S2S1

v1 v2

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2019/2020 35

Per i liquidi ideali la conservazione dell’energia meccanica porta al teorema di Bernoulli.........utilissimo per risolvere i problemi più disparati

Prossima lezione: i liquidi viscosi

Riassumendo

S2S1

v1 v2

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2019/2020 36

Esercizio da fare a casa

Calcolare il valore della pressione (assoluta e relativa) esercitata su unnuotatore che nuota 5.0 m sotto la superficie di un lago ?

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2019/2020 37

Soluzione

ghpp atmtot r+= m) (5)s m (9.8)m kg (10 Pa 101.01 -2-335 ´´+´=

Pa 101.50 5´=

Ogni 5 m di profondita’ in acqua, si e’ sottoposti a una pressioneaggiuntiva di 0.5 atm

atm 1.5 =

passoluta = 1.5 atm

prelativa = 0.5 atm