INGLESE

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.C. Giancoli “Physics. Principles with Applications.”
D.Halliday, R.Resnick, J.Walker "Fundamentals of Physics"
J.W. Kane, M.M. Sternheim "Biomedical Physics"
Appunti forniti a lezione e disponibili sul sito docente

Il corso intende fornire le competenza di base per la comprensione di alcuni processi fondamentali riguardanti la fisica fondamentale ed alcune delle più rilevanti applicazioni nell'ambito della fisica medica.

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE (knowledge and understanding)
Acquisizione di conoscenze sulle tematiche fondamentali della fisica e della fisica medica grazie alla frequenza di lezioni ed esercitazioni.

CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE (applying knowledge and understanding)
Lo studente dovrà avere acquisito conoscenze tali da permettergli di descrivere i meccanismi alla base dei processi fisici trattati e saper valutare in modo autonomo e motivato eventuali opinioni diverse su determinati aspetti di fisica fondamentale e medica.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO (making judgements)
Acquisizione di autonomia in ambiti relativi alla valutazione e interpretazione di tematiche inerenti la fisica e all’ applicazione delle tecniche per lo studio della fisica fondamentale e biomedica.

ABILITA’ COMUNICATIVE (communication skills)
Acquisizione del lessico e della terminologia della fisica per poter comprendere e comunicare con chiarezza i contenuti della disciplina

CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO (learning skills)
Acquisizione delle capacità che favoriscano lo sviluppo, l'approfondimento e il costante aggiornamento delle conoscenze di fisica fondamentale e medica, con particolare riferimento alla consultazione di materiale bibliografico, di banche dati e altre informazioni in rete.

Conoscenze di base di matematica e fisica

Lezioni frontali ed esercitazioni

La valutazione delle competenze degli studenti si basa su una prova scritta. Esercitazioni numeriche e domande aperte coprono i principali aspetti relativi alla Fisica applicata alle scienze mediche. Lo studente dovrà essere in grado di descrivere i meccanismi alla base dei processi fisici trattati ed essere in grado di valutare in modo autonomo e motivato pareri diversi su alcuni aspetti della Fisica e della Fisica Medica. Il voto finale è espresso in 30/30 dove 18 rappresenta il minimo e 30 il massimo.

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. 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.
7. 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.
8. 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. Forze non conservative e lavoro svolto. La conservazione dell’energia.
9. 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.
10. Proprietà elastiche dei materiali. Aspetti generali degli sforzi e delle deformazioni. Modulo di Young. Flessione. Taglio e torsione. Compressione.
11. Meccanica dei fluidi. Definizione di fluido ideale. Pressione atmosferica Statica dei fluidi. Pressione di un fluido Legge di Stevino. Legge di Pascal ed il torchio idraulico. Il principio di Archimede. Dinamica dei fluidi. Equazione di continuità. Teorema di Bernoulli. Fenomeni di capillarità. La viscosità. Moto turbolento. Legge di Poiseuille. Numero di Reynolds. Sistema cardiocircolatorio. Tensione superficiale. Legge di Laplace. Molecole tensioattive.Capillarità
12. 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. Interferenza di onde. Onde stazionarie. Onde acustiche. Potenza ed intensità delle onde sonore. Velocità del suono. Effetto Doppler. Principi fisici delle tecniche ecografiche.
13. 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. Seconda legge della termodinamica. Rendimenti delle macchine termiche. Metabolismo del corpo umano. Termoregolazione.
14. 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. Dipolo elettrico. Energia potenziale elettrica. Potenziale elettrico.
15. Condensatori. Capacità dei condensatori con dielettrico. Energia immagazzinata in un condensatore. Condensatori in serie ed in parallelo. Defibrillatore e stimolatore cardiaco.
16. 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. Forza elettromotrice.
17. Campo magnetico. Forza magnetica su una carica in moto. Cariche in moto circolare. Ciclotrone e spettrometro di massa. Campi magnetici e correnti. Dipolo magnetico. Legge di Biot-Savart. Legge di Ampère. Principi fisici della risonanza magnetica
18. Legge di induzione di Faraday. Flusso concatenato. Legge di Lenz. Campi elettrici indotti.
19. Onde elettromagnetiche. Radiazione luminosa. Raggi X ed applicazioni in medicina
20. Ottica geometrica. Indice di rifrazione. Cammino ottico. Leggi della riflessione. Leggi della Rifrazione. Specchi piani. Specchi sferici. Lenti sottili. Lente d’ingrandimento. Microscopio

English

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.C. Giancoli “Physics. Principles with Applications.”
D.Halliday, R.Resnick, J.Walker "Fundamentals of Physics"
J.W. Kane, M.M. Sternheim "Biomedical Physics”
Notes provided in class and available on the teacher's website

The course aims to provide the basic skills for understanding some fundamental processes concerning Physics and the main applications in the Medical Physics.

KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
The student will acquire the knowledge on the fundamental themes of Physics and Medical Physics thanks to the didactical activities (lessons and tutorials).

APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
The student will have acquired knowledge that will allow him to describe the mechanisms underlying the physical processes treated and be able to evaluate in an independent and motivated way different opinions on certain aspects of Physics and Medical Physics.

MAKING JUDGEMENTS
The student will be autonomous in areas related to the evaluation and interpretation of issues related to biophysics and the application of techniques for the study of Physics and Medical Physics

COMMUNICATION SKILLS
The student will have acquired an appropriate technical language in order to understand and clearly communicate the contents of the discipline

LEARNING SKILLS
The student will be able to develop and constantly update the knowledge of Physics and Medical Physics, with particular reference to the consultation of bibliographic material, databases and other information on the web

Basic knowledge of mathematics and physics

Lessons and exercises

Evaluation of student proficiency is based on a written test. Numerical exercises and open questions cover the main aspects related to Physics applied to medical sciences. The student should be able to describe the mechanisms underlying the physical processes treated and be able to evaluate in an independent and motivated way different opinions on certain aspects of Physics and Medical Physics. The final grade is expressed in 30/30 were 18 represents the minimum and 30 the maximum.

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. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Elastic properties of the materials. General of the efforts and deformations. Young's modulus. Flexion. Shear and torsion

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Capacitors. Capacitance of the capacitors with dielectrics. Energy stored in a capacitor. Capacitors in series and in parallel. Defibrillator.

16. 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.

17. 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

18. Faraday's law of induction. Flux-linkage. Lenz's law. Induced electric fields.

19. Electromagnetic waves. Radiation. X-rays and applications in medicine

20. Geometrical optics. Index of refraction. Optical path. Laws of reflection. Laws of Refraction. Flat mirrors. Spherical mirrors. Thin lenses. Magnifying glass. Microscope