PRINCIPI DI INFORMATICA MATEMATICA E FISICA APPLICATI ALLE BIOTECNOLOGIE 1

Modulo FISICA APPLICATA ALLE BIOTECNOLOGIE

L’obiettivo principale è rappresentato dalla consapevole appropriazione da parte dello studente delle capacità descrittive e predittive della fisica applicata a fenomeni propri dei sistemi biologici in vista anche delle conoscenze richieste nel prosieguo del Corso di Laurea. Lo studente dovrà:

saper applicare opportunamente le nozioni riguardanti le grandezze fisiche e l'analisi dimensionale;

saper applicare il calcolo vettoriale nella risoluzione dei problemi fisici in ambito bio-medicale;

saper risolvere quesiti inerenti a problematiche di cinematica, statica e dinamica del punto materiale;

saper applicare le conoscenze di fluidostatica e fluidodinamica a problemi reali in ambito bio-medicale;

saper applicare i concetti fondamentali di termologia;

saper applicare i concetti fondamentali di acustica;

saper applicare i concetti fondamentali relativi allo spettro elettromagnetico.

Le lezioni e le esercitazioni guidate permetteranno di acquisire le competenze richieste sia per comprendere ed interpretare le leggi fisiche dal punto di vista fenomenologico e dimensionale, sia per impostare in modo scientifico e quantitativo la risoluzione di semplici problemi in questo ambito.

Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce ad acquisire le seguenti competenze trasversali:

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding):

Sviluppare la capacità di inquadrare e comprendere i concetti base della fisica e saperli riconoscere, utilizzare e applicare nelle situazioni reali.

Autonomia di giudizio (making judgements):

Essere in grado di inquadrare un problema ed elaborare autonomamente soluzioni.

Abilità comunicative (communication skills):

Acquisire le necessarie abilità comunicative e di appropriatezza espressiva nell'impiego del linguaggio tecnico scientifico.

Capacità di apprendimento (learning skills):

Acquisire le necessarie conoscenze e metodologie teoriche per poter affrontare, studiare e comprendere il funzionamento alla base delle varie metodologie e situazioni con cui lo studente dovrà confrontarsi nel suo lavoro professionale.

Il corso di Fisica prevede un totale di 47 ore di lezioni suddivise in 35 ore di lezioni frontali e 12 ore di esercitazioni su tutti gli argomenti del corso. La modalità di insegnamento è generalmente quella più congeniale all'insegnamento di Fisica Applicata per il CdL in Biotecnologie. In particolare, la lezione verrà svolta con l'ausilio di slide. Verranno svolti anche presi in considerazione momenti di brainstorming (principalmente per risoluzione di esercizi sottoposti dal docente). 

Qualora l’insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA: A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del dipartimento.

Indispensabili: basi matematiche di algebra elementare e geometria euclidea. Elementi di trigonometria. Utili: uso della notazione scientifica. Equazioni di I e II grado. Inversione delle formule.

Come da Regolamento del Corso di Laurea

Introduzione (6h)

Grandezze fisiche e misura - Grandezze fisiche fondamentali e derivate. Sistema Internazionale delle unità di misura. Analisi dimensionale e fattori di conversione. Strumenti di misura, accuratezza, precisione e principali fonti di incertezza sperimentale. Rappresentazione grafica dei dati.

Grandezze scalari e vettoriali - Operazioni tra vettori: somma, differenza, prodotto per uno scalare, prodotto scalare e prodotto vettoriale.

Elementi di Meccanica (9h)

Richiami di Cinematica del punto materiale - Posizione, spostamento e traiettoria. Velocità media e istantanea. Accelerazione media e istantanea. Moto rettilineo uniforme e uniformemente accelerato. Cenni al moto circolare uniforme.

Dinamica - I tre principi della dinamica. Forza e massa. Forza peso, forza elastica e legge di Hooke. Forze di attrito statico e dinamico. Equilibrio traslazionale.

Lavoro ed energia - Lavoro di una forza. Energia cinetica e Teorema dell’energia cinetica. Energia potenziale gravitazionale ed elastica. Conservazione dell'energia meccanica. Potenza meccanica.

Statica - Momento di una forza. Equilibrio rotazionale. Leve e applicazioni biomeccaniche al corpo umano.

Meccanica dei fluidi (9h)

Stati di aggregazione della materia. Densità, pressione e viscosità.

Idrostatica - Legge di Stevino. Principio di Pascal. Principio di Archimede. Pressione idrostatica e strumenti di misura della pressione. Misura della pressione arteriosa mediante sfigmomanometro.

Idrodinamica - Portata ed equazione di continuità. Teorema di Bernoulli e applicazioni alla circolazione sanguigna (stenosi e aneurisma).

Fluidi reali - Moto laminare e turbolento. Legge di Poiseuille. Resistenza idraulica. Viscosità del sangue.

Fenomeni di superficie - Tensione superficiale, capillarità e pressione di Laplace. Legge di Stokes. Sedimentazione. Trascinamento viscoso e principi fisici della centrifugazione.

Termologia e Termodinamica (8h)

Temperatura e scale termometriche. Equilibrio termico e principio zero della termodinamica. Dilatazione termica. Cenni di teoria cinetica dei gas e gas ideali e variabili termodinamiche.

Calore, lavoro e primo principio della termodinamica. Capacità termica e calore specifico. Calore latente e passaggi di stato. Trasmissione del calore per conduzione, convezione e irraggiamento. Cenni al secondo principio della termodinamica. Applicazioni biologiche: termoregolazione e metabolismo energetico.

Elementi di Elettromagnetismo (6h)

Carica elettrica e legge di Coulomb. Campo elettrico e potenziale elettrico. Capacità e condensatori. Corrente elettrica continua. Leggi di Ohm. Resistenze in serie e in parallelo. Potenza elettrica ed effetto Joule. Il concetto di campo magnetico.

Fenomeni bioelettrici: potenziale di membrana, potenziale d'azione e propagazione dell'impulso nervoso.

Onde e Radiazioni (9h)

Fenomeni ondulatori - Onde longitudinali e trasversali. Lunghezza d'onda, frequenza, periodo e velocità di propagazione. Intensità ed energia delle onde. Il suono, pressione sonora e decibel. Ultrasuoni e applicazioni.

Onde elettromagnetiche - Spettro elettromagnetico e principali applicazioni in biologia e medicina.

Radiazioni ionizzanti - Raggi X. Radioterapia. Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti. Elementi di dosimetria e radioprotezione.

Scannicchio D., Fisica biomedica, EdiSES.

Lascialfari A., Borsa F., Gueli A.M., Principi di Fisica per indirizzo biomedico e farmaceutico, EdiSES.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova scritta articolata in due parti: Matematica e Fisica. Per ciascuna parte è attribuita una valutazione espressa in trentesimi, da 0 a 30, con possibilità di conseguire la Lode. Il voto finale dell'esame è determinato dalla media delle valutazioni ottenute nelle due prove.

Per il superamento dell'esame è necessario conseguire una valutazione di almeno 18/30 in entrambe le parti.

Per quanto riguarda la parte di Fisica, la prova scritta è composta da quesiti a risposta multipla, dalla risoluzione di alcuni problemi e da un quesito a risposta aperta. La prova è finalizzata a verificare la comprensione degli argomenti trattati durante il corso, nonché la capacità di applicare le conoscenze acquisite, individuando e sviluppando le strategie risolutive più appropriate.

La valutazione della prova terrà conto dell'impostazione della risoluzione dei problemi, della correttezza dei calcoli, della precisione delle argomentazioni e della coerenza del procedimento seguito.

La prova scritta potrà essere seguita da un colloquio orale sugli argomenti del corso, su richiesta dello studente o del docente. Durante la prova orale verrà valutata la pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate, la qualità dei contenuti, la capacità di collegamento con altri temi oggetto del programma, la capacità di fornire esempi, la proprietà di linguaggio tecnico e la capacità espressiva complessiva dello studente.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere. A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata — Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento (https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

Esempi per l'attribuzione del voto d'esame

La valutazione della prova tiene conto del livello di comprensione dei principi fisici, della capacità di applicare le conoscenze alla risoluzione di problemi, della correttezza dei procedimenti matematici e della chiarezza delle argomentazioni.

Esame non superato (<18/30): lo studente evidenzia lacune significative nella conoscenza degli argomenti fondamentali del corso, non è in grado di impostare correttamente la risoluzione dei problemi e commette errori concettuali e/o procedurali tali da compromettere il raggiungimento degli obiettivi minimi dell'insegnamento.

Voto 18–21: lo studente possiede una conoscenza essenziale degli argomenti principali. È in grado di impostare semplici problemi applicativi, pur con alcune imprecisioni nei calcoli, nell'impostazione o nell'interpretazione dei risultati. Il linguaggio scientifico è sufficientemente appropriato.

Voto 22–25: lo studente dimostra una discreta conoscenza degli argomenti del corso e sa applicare correttamente i principali modelli fisici alla risoluzione dei problemi proposti. Gli errori sono occasionali e non compromettono sostanzialmente la correttezza del procedimento. Le argomentazioni risultano generalmente chiare e coerenti.

Voto 26–28: lo studente mostra una buona padronanza dei contenuti, imposta e risolve correttamente anche problemi di media complessità, utilizzando gli strumenti matematici e interpretando in modo corretto i risultati ottenuti. Espone con precisione e utilizza un linguaggio scientifico appropriato.

Voto 29–30 e lode: lo studente dimostra una conoscenza completa e approfondita degli argomenti del corso, affronta con autonomia e rigore problemi anche complessi, giustifica le scelte risolutive con argomentazioni corrette e interpreta criticamente i risultati ottenuti. L'esposizione è chiara, rigorosa e caratterizzata da un uso preciso del linguaggio della fisica. La lode è attribuita a prestazioni eccellenti, prive di errori significativi e caratterizzate da particolare capacità di analisi, sintesi e approfondimento.

 Unità di misura e conversioni 

Notazione scientifica

 Principi di Newton. 

Forze e loro trattazione. 

Diagrammi delle forze Statica ed esempi di leve.

 Energia e Lavoro. 

Principio di Archimede – Galleggiamento e affondamento.

 Legge di Stevino e pressione idrostatica. 

Misurazione della pressione sanguigna. 

Teorema di Bernoulli. 

Onde meccaniche e applicazioni. 

Spettro elettromagnetico. 

Applicazioni delle radiazioni elettromagnetiche in ambito bio-medicale 

Calore latente, capacità termica e calore specifico.

 Differenze e analogie tra onde meccaniche e onde elettromagnetiche. 

Dose e Dose Equivalente