FONDAMENTI DI FISICA E MACCHINE

Obiettivi formativi

• FISICA

  Lo studente è tenuto a raggiungere i seguenti obiettivi formativi:
  - saper applicare opportunamente le nozioni riguardanti le grandezze fisiche e l' analisi dimensionale;
  - saper applicare il calcolo vettoriale nella risoluzione dei problemi fisici del mondo - circostante;
  - saper risolvere quesiti inerenti a problematiche di cinematica, statica e dinamica del punto materiale e del corpo rigido;
  - saper applicare le conoscenze di fluidostatica e fluidodinamica a problemi reali;
  - saper applicare le conoscenze di ottica ai problemi reali;
  - saper applicare i concetti fondamentali relativi all'elettromagnetismo

• MECCANICA E MACCHINE

  Trasmettere agli allievi le conoscenze della meccanica di base e delle principali macchine di interesse per il settore agroalimentare, necessarie per una corretta gestione e sorveglianza dei processi produttivi. Promuovere l’attenzione verso gli aspetti tecnico-ingegneristici della disciplina e la valutazione critica dei risultati numerici. Alla fine del corso lo studente conoscerà i parametri caratteristici essenziali (potenza, rendimento, elementi per il dimensionamento) delle principali macchine di interesse nel settore agroalimentare (scambiatori di calore, pompe, macchine frigorifere, motori a combustione interna), nonché i principali processi di base per il proseguo degli studi nel campo delle tecnologie alimentari (trasmissione del calore, termodinamica dei gas perfetti, termodinamica dell'aria umida).

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

• FISICA

  Lezioni frontali con esercitazioni in aula

• MECCANICA E MACCHINE

  L'insegnamento viene svolto mediante lezioni frontali ed esercitazioni guidate per la risoluzione di problemi di interesse pratico per la professione di tecnologo alimentare.

Prerequisiti richiesti

• FISICA

  Consigliata la frequenza del corso di Matematica.

• MECCANICA E MACCHINE

  Superamento esame di Matematica.

Frequenza lezioni

• FISICA

  Consigliata, non obbligatoria

• MECCANICA E MACCHINE

  Vivamente consigliata, ma non obbligatoria.

Contenuti del corso

• FISICA

  1 – Introduzione
  Stato di un sistema fisico e grandezze fisicamente significative - Unità di misura - Equazioni dimensionali
  2-Calcolo vettoriale
  Sistemi di riferimento e sistema di coordinate; I vettori come entità geometriche; I vettori in fisica e loro utilizzo nello spazio fisico bidimensionale e tridimensionale; Grandezze vettoriali e
  grandezze scalari; I vettori nel piano e loro scomposizione per componenti; Versori; Somma tra vettori; Prodotto scalare e prodotto vettoriale tra vettori; Moltiplicazione di uno scalare per un
  vettore; Applicazioni

  3 – Meccanica
  Descrizione del moto di un corpo - Sistemi di riferimento - Principio d'inerzia - Seconda legge della dinamica - Terza legge della dinamica - Conservazione della quantità di moto - Campi di
  forza - Lavoro di una forza - Teorema dell'energia cinetica - Campi conservativi - Potenziale - Conservazione dell'energia meccanica - Momento delle forze - Conservazione del momento
  angolare.
  4 - Meccanica dei fluidi
  Proprietà dei fluidi - Statica dei fluidi: leggi di Pascal, Stevin e Archimede - Fluidi ideali e teorema di Bernoulli - Moto laminare di un fluido viscoso: legge di Poiseuille - Flusso
  turbolento - Sedimentazione - Fenomeni di superficie: legge di Laplace e fenomeni di capillarità.
  5 - Fenomeni elettromagnetici
  Cariche elettriche e legge di Coulomb; Campi elettrici e sorgenti del campo elettrico; Legge di Gauss; Potenziale Elettrico ed energia potenziale; Capacità e condensatori; Corrente e leggi di Ohm;
  Campi magnetici e sorgenti; Campi magnetici variabili nel tempo; Introduzione alle leggi di Maxwell; Onde elettromagnetiche e proprietà; Applicazioni
  6 - Fenomeni ondulatori
  Oscillazioni meccaniche libere - Energia di un oscillatore armonico - Onde progressive armoniche - Onde longitudinali e trasversali - Onde piane ed onde sferiche - Onde
  monocromatiche - Analisi di Fourier - Effetto Doppler - Principio di Huygens - Il suono e le sue caratteristiche - Fisica dell'orecchio - Ultrasuoni.
  7- Elementi di ottica
  Riflessione e rifrazione - Legge di Snell - Approssimazione dell'ottica geometrica - Diottro sferico - Lenti sottili - Costruzione geometrica delle immagini - Microscopio - Ottica fisica -
  Sorgenti coerenti - Interferenza - Diffrazione - Reticolo di diffrazione - Potere risolutivo di uno strumento ottico - Polarizzazione.
  8 – Elementi di Fisica moderna e delle radiazioni (cenni )
  Fotoni - Relazione di Planck - Dualità onda-corpuscolo- Diffrazione degli elettroni - Principio di indeterminazione. Cenni di struttura atomica - Interazione della radiazione con la materia -
  Leggi di Lambert e di Beer – Spettroscopia - Raggi X - Struttura del nucleo atomico - Radioattività e legge del decadimento radioattivo - Effetti biologici delle radiazioni – Cenni di
  dosimetria e di radioprotezione.

• MECCANICA E MACCHINE

  Il Sistema Internazionale di unità di misura: Grandezze fondamentali e derivate - Prefissi per multipli e sottomultipli decimali - Unità di misura delle principali grandezze fisiche di interesse per il corso.

  Elementi di meccanica applicata: Classificazione delle macchine - Energia e Potenza meccanica - Forze agenti nelle macchine - Condizioni di equilibrio di un corpo rigido - Equazione generale delle macchine e suo significato fisico.

  Rendimenti delle macchine: Definizione di rendimento - Rendimenti nei collegamenti in serie, in parallelo e in serie-parallelo.

  Resistenze passive: Resistenza del mezzo - Attrito radente e volvente - Coefficienti di aderenza e d’attrito - Potenza dissipata per attrito - Cenni sui mezzi per ridurre l’attrito (cuscinetti di
  strisciamento e di rotolamento, lubrificazione, principali caratteristiche dei lubrificanti).

  Sistemi per la trasmissione del moto: Rapporto di trasmissione - Cenni sui principali sistemi di trasmissione (giunti, innesti, flessibili, ruote di frizione, ruote dentate) - Cenni sui sistemi per la
  regolazione del moto (freni e volani).

  Termodinamica di base: Sistema termodinamico - Primo e secondo principio della termodinamica - Principali grandezze termodinamiche (calore, lavoro, energia interna, entalpia,
  entropia).

  Trasformazioni termodinamiche: Equazione di stato dei gas perfetti - Principali trasformazioni termodinamiche dei gas perfetti (isobare, isocore, isoterme, adiabatiche, politropiche) - Cicli
  termodinamici - Rendimento di un ciclo termodinamico - Diagrammi di sostanze pure nei cambiamenti di stato - Miscele di liquido e vapore - Titolo di un vapore.

  Trasmissione del calore per conduzione: Postulato di Fourier - Conduzione in regime stazionario attraverso parete piana o cilindrica, semplice o composta - Resistenza termica di
  conduzione - Profili di temperatura.

  Trasmissione del calore per convezione: Legge di Newton - Coefficiente liminare - Conduzione e convezione attraverso parete piana o cilindrica, semplice o composta - Resistenza termica di convezione.

  Trasmissione del calore per irraggiamento: Legge di Stephan-Boltzmann - Trasmissione fra schermi piani neri e/o grigi.

  Scambiatori di calore: Tipologie costruttive e modalità di funzionamento - Scambiatori equicorrente e controcorrente - Bilancio energetico - Profili di temperatura - Dimensionamento.

  Termodinamica dell’aria umida: Parametri fisici dell’aria umida (umidità specifica, relativa e assoluta, entalpia) - Diagramma di Mollier dell’aria umida.

  Macchine frigorifere: Cicli inversi - COP di un ciclo inverso - Ciclo di Rankine inverso - Calcolo della potenza frigorifera teorica - Proprietà principali dei fluidi frigorigeni.

  Motori a combustione interna: Cicli teorici Otto, Diesel e Sabathé - Parti fondamentali di un motore - Classificazione dei motori (ad accensione comandata o spontanea, a due e a quattro
  tempi) . Rendimenti - Differenze fra i cicli teorici ed effettivi - Curve caratteristiche dei motori (coppia, potenza, consumo specifico).

  Pompe per il settore agroalimentare: Moto stazionario dei fluidi in condotta - Bilancio di massa e di energia - Perdite di carico - Calcolo della potenza di pompaggio - Classificazione delle pompe (volumetriche alternative e rotative, fluidodinamiche) - Curve caratteristiche delle pompe.

  Altre macchine di interesse per il settore agroalimentare: Cenni sul principio di funzionamento di compressori, centrifughe, decanter, macchine elettriche fondamentali.

Testi di riferimento

• FISICA

  1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker "Fondamenti di Fisica" (2015) Casa Ed. Ambrosiana;
  3. Mazzoldi, Nigro, Voci: “Elementi di Fisica Vol. 1 – Meccanica e Termodinamica. Seconda edizione.” (EdiSES)
  Gli studenti sono liberi di utilizzare qualunque altro testo possa essere più conveniente per loro

• MECCANICA E MACCHINE

  Viene fornito dal docente tutto il materiale necessario per lo studio degli argomenti trattati in aula (dispense con la parte teorica e lucidi per lo svolgimento guidato degli esercizi). Inoltre sono consigliati i seguenti testi, formo restando la libertà di consultare qualsiasi altro testo:

  1. Anzalone G., Bassignana P., Brafa Musicoro G., Fondamenti di meccanica e macchine, Hoepli.

  2. Çengel Y., Termodinamica e trasmissione del calore, terza edizione, Mc GrawHill.

Programmazione del corso

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

• FISICA

  L’esame finale consiste in due prove, una scritta e una, facoltativa, orale, successiva al
  superamento della prova scritta. La prova scritta consiste in alcune domande a risposta
  multipla e a risposta aperta sugli argomenti trattati durante il corso e in quesiti numerici. Per il
  superamento della prova scritta è necessario risolvere almeno 2 quesiti numerici e conseguire
  un voto minimo di 15. La prova orale è obbligatoria se la prova scritta è stata superata con una
  votazione tra 15 e 17.

• MECCANICA E MACCHINE

  Durante il corso verranno svolte due prove in itinere riservate agli studenti frequentanti (frequenza almeno del 70%). L’esame finale tiene conto dei risultati delle prove in itinere e consiste in due prove, una scritta e una, facoltativa, orale, successiva al superamento della prova scritta. Il compito scritto è strutturato in tre parti, ciascuna riferita a una parte di programma, e consiste in uno o più quesiti numerici e in alcune domande a risposta multipla e a risposta aperta. Le singole parti possono essere sostenute anche in appelli diversi. Per il superamento di ogni parte è necessario risolvere almeno un quesito numerico e conseguire un voto minimo di 15. Per superare il modulo il voto medio delle tre parti deve essere almeno 18. Il risultato delle singole parti ha validità solo all'interno dell'anno accademico in cui è stato maturato. II termine per la prenotazione alle prove scritte di norma scade tre giorni prima della data della prova prevista dal calendario d'esame.
  1-7: prima parte del programma
  8-12: seconda parte del programma
  13-18: terza parte del programma

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

• FISICA

  - Discutere dei principi di conservazione dell'energia meccanica, della quantità di moto e del momento angolare;
  - Riflessione, rifrazione e legge di Snell;
  - Equazione di Bernoulli per un fluido ideale e applicazioni;
  - Descrivere la fenomenologia relativa a campi elettrici e magnetici

• MECCANICA E MACCHINE

  Tutto il materiale didattico (dispense con la parte teorica, lucidi utilizzati durante le lezioni, raccolta dei testi delle prove d'esame via via assegnate negli anni precedenti) è reso disponibile sulla
  piattaforma STUDIUM. Gli argomenti più frequentemente richiesti in sede di colloquio orale riguardano:

  Unità di misura SI di grandezze di interesse (energia, potenza, pressione)

  Calcolo di rendimenti in macchine collegate in serie o in parallelo

  Attrito e aderenza

  Condizioni di equilibrio

  Rapporto di trasmissione

  Equazione di stato dei gas perfetti e calcolo del calore e del lavoro scambiati nelle principali trasformazioni termodinamiche

  Modalità e leggi che governano la trasmissione del calore

  Tipologie di scambiatori di calore e loro dimensionamento

  Cicli termodinamici delle macchine frigorifere

  Cicli termodinamici dei motori a combustione interna

  Calcolo della potenza di pompaggio

  Termodinamica dell’aria umida