1 La lezione di oggi La densità La pressione L’equazione di continuità Il teorema di Bernoulli Stenosi e aneurismi 2 Densità, pressione La portata di un condotto Il teorema di Bernoulli Applicazioni dell’equazione di Bernoulli Stenosi e aneurisma Pressione del sangue 3 La Densità La densità è definita come m ρ V Dimensioni: [ML-3] Unità di misura SI: kg/m3 Sostanza Ari a Densità (kg/m3) 1.29 Polistirolo Olio espanso d’oliva ~30 920 Acqua di mare Alluminio Ferro Oro 1025 2700 7860 19300 4 La Pressione La pressione è definita come F forza P A area Dimensioni: [MLT-2][L-2]=[ML-1T-2] Unità 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 (sezione = 10-4 m2) e con un ago ipodermico (sezione = 210-7 m2) 3N 4 3 10 Pa 4 2 10 m 3N 7 1.5 10 Pa 7 2 2 10 m Pdito Pago 5 Attenzione! Area grande = Pressione piccola 6 Quale forza devo usare ? F F S Nel calcolo della pressione, devo sempre usare la componente della forza perpendicolare (normale) alla superficie 7 Il fluido esercita sul corpo... ... una forza uguale in ogni direzione e perpendicolare alla superficie 8 Pressione atmosferica E’ la pressione esercitata dalla colonna di aria (atmosfera) che sta sopra di noi Patm =1.013×10 Pa = 101 kPa = 1.01 bar = 1 atm 5 N.B. 1 bar º10 Pa 5 La pressione atmosferica agisce in modo uguale in tutte le direzioni 9 La pressione relativa Patmosferica Pinterna Pressione interna: pressione assoluta Pressione relativa: differenza tra pressione interna e pressione atmosferica Prel P - Patm 10 Esercizio Qual è la pressione assoluta all’interno di un pneumatico gonfiato ad una pressione relativa di 2 atm p ass p atm p rel 1 atm 2 atm 3 atm 3 1.01105 Pa La pressione prescritta dalla casa costruttrice (quella che si legge sulla colonnina) è la pressione relativa 11 Densità, pressione La portata di un condotto Il teorema di Bernoulli Applicazioni dell’equazione di Bernoulli Stenosi e aneurisma Pressione del sangue 12 Oggi lavoreremo con: • Fluido perfetto (incomprimibile, non viscoso) • Condotto rigido • Moto stazionario (vedi) Conservazione dell’energia meccanica • Flusso laminare (vedi) Portata di un condotto Volume di liquido che attraversa una sezione (A) nell’unità di tempo A S Dx = v·Dt V S Δx S v Δt S v Q Δt Δt Δt Unità di misura (S.I.): m3/s 13 Equazione di continuità In regime di moto stazionario, la portata è la stessa in ogni sezione del condotto S1 v1 S2 v2 Q S v costante La sezione aumenta, la velocità diminuisce Esempi o Q = 100 cm3 s–1 La sezione diminuisce, la velocità aumenta SA = 5 cm2 vA = 20 cm s–1 SB = 1.25 cm2 vB = 80 cm s–1 14 Densità, pressione La portata di un condotto Il teorema di Bernoulli Applicazioni dell’equazione di Bernoulli Stenosi e aneurisma 15 Il teorema di Bernoulli Liquido perfetto (incomprimibile, non viscoso) Condotto rigido Moto stazionario Flusso laminare Ci sono soltanto la forza gravitazionale e le forze di pressione Il lavoro compiuto dalle forze di pressione vale L F1 Dx1 - F2 Dx 2 p1 A1 Dx1 - p 2 A 2 Dx 2 p1 V1 - p 2 V2 (p1 - p 2 ) V N.B. V1 = V2 = V per l’equazione di continuità 16 Intermezzo: lavoro e energia meccanica Per il teorema dell’energia cinetica il lavoro fatto dalla risultante delle forze che agiscono su un oggetto vale La risultante delle forze è la somma vettoriale della risultante delle forze conservative (FC)eventualmente presenti e della risultante delle altre forze (F). Il lavoro compiuto dalla risultante delle forze conservative è uguale e opposto alla variazione di energia potenziale (LC=-DU). Quindi: Il lavoro compiuto dalle forze F è pari alla variazione dell’energia meccanica totale 17 Il teorema di Bernoulli 1 DE mg (y 2 - y1 ) m (v 22 - v12 ) 2 variazione energia potenziale variazione energia cinetica 18 Dopo qualche passaggio... L DE 1 (p1 - p 2 ) V = mg (h 2 - h1 ) + m (v 22 - v12 ) 2 Divido entrambi i membri per V m/V = r densità m 1 m 2 (p1 - p 2 ) = g (h 2 - h1 ) + (v 2 - v12 ) V 2 V 1 2 2 (p1 - p 2 ) = r g (h 2 - h1 ) + r (v 2 - v1 ) 2 1 1 2 rgh1 + r v1 + p1 = rgh 2 + r v 22 + p2 2 2 19 Il teorema di Bernoulli 1 2 rgh r v p costante 2 Energia potenziale mgh per unità di volume Energia cinetica ½mv2 per unità di volume Lavoro delle forze di pressione per unità di volume Divido entrambi i membri per rg 2 v p h costante 2g rg altezza geometrica altezza cinetica altezza piezometrica 20 Densità, pressione La portata di un condotto Il teorema di Bernoulli Applicazioni dell’equazione di Bernoulli Stenosi e aneurisma Pressione del sangue 21 Legge di Stevino (effetto del peso del fluido) 1 1 2 rgh 1 r v1 p1 rgh 2 r v 22 p 2 2 2 y Il fluido è in quiete p 2 p1 rg (h 1 - h 2 ) p1 rgh h1 h2 p tot p atm rgh pressione idrostatica In un fluido in equilibrio, la pressione interna dipende solo dalla profondità h 22 Il barometro Patm 0 rgh rgh h acqua h mercurio Patm 1.013 10 5 Pa 10 m 3 -3 -2 rg (10 kg m ) (9.8 ms ) Patm 1.013 10 5 Pa 0.76 m 4 -3 -2 rg (1.3595 10 kg m ) (9.8 ms ) Unità di misura della pressione atmosferica: 1 Torr = 1 mmHg 23 Esercizio Qual è la pressione (assoluta e relativa) esercitata su un nuotatore che nuota 5 m sotto la superficie di un lago ? p tot p atm rgh 1.01 10 5 Pa (10 3 kg m -3 ) (9.8 m s -2 ) (5 m) 1.50 10 5 Pa 1.5 atm Ogni 5 m di profondità in acqua, si è sottoposti a una pressione aggiuntiva di 0.5 atm passoluta = 1.5 atm prelativa = 0.5 atm 24 Il principio di Archimede Forza verso il basso F1 P1 A P1 L2 Forza verso l’alto F2 P2 A P2 L2 P2 P1 rgL F2 (P1 rgL) L2 P1L2 rgL3 F1 rgL3 F2 - F1 FArchimede rgV Attenzione !!! • la densità è quella del fluido! • il corpo deve essere totalmente immerso La Forza di Archimede agisce sul centro geometrico del volume immerso! 25 Quest’ uovo è fresco… FA CM(VH20) ≡ CM(uovo) W FA …e questo no CM(VH20) ≠ CM(uovo) W 26 Legge di Torricelli 1 y S h2 è uguale a 0 per costruzione (origine dell’asse y) h v 2 1 1 2 rgh 1 r v1 p1 rgh 2 r v 22 p 2 2 2 La superficie libera dell’acqua è immobile 1 2 rgh 1 r v 2 2 La pressione esterna è uguale per i 2 punti (patmosferica) semplifico r 1 2 gh 1 v 2 2 Identica alla velocità di un grave che cade da un’altezza h v 2 2gh 1 27 Densità, pressione La portata di un condotto Il teorema di Bernoulli Applicazioni dell’equazione di Bernoulli Stenosi e aneurisma Pressione del sangue 28 Applicazione dell’equazione di Bernoulli La stenosi S1 h1 = h2 S2 v1 v2 Q = costante S1 v1 = S2 v2 S2 < S1 v2 > v1 Applicando il teorema di Bernoulli (h1 1 1 2 2 p1 ρ v1 p 2 ρ v 2 2 2 v2 > v1 = h2): p2 < p1 la stenosi tende a peggiorare 29 L’aneurisma S2 S1 v1 Q = costante S1 v1 = S2 v2 v2 S2 > S1 v2 < v1 Applicando il teorema di Bernoulli (h1 = h2): 1 1 2 p1 ρ v1 p 2 ρ v 22 2 2 v2 < v1 p2 > p1 L’aneurisma tende a peggiorare 30 Densità, pressione La portata di un condotto Il teorema di Bernoulli Applicazioni dell’equazione di Bernoulli Stenosi e aneurisma Pressione del sangue 31 Effetti della pressione idrostatica Misuro la pressione in 3 grandi arterie y (testa, cuore, piedi) Faccio l’approssimazione che la sezione delle 3 arterie sia ~ uguale htesta hcuore rgh 1 r v 2 p costante 2 v cuore v testa v piedi hpiedi = 0 p piedi - p cuore rgh cuore p testa p cuore rgh cuore - rgh testa 32 Effetti della pressione idrostatica y p piedi - p cuore (10 3 kg m3 ) (9.8 m s -2 ) (1.3 m) htesta hcuore 1.3 10 4 Pa 101 mm Hg p testa - p cuore (10 3 kg m 3 ) (9.8 m s -2 ) ( 1.3 m - 1.7 m) - 4. 2 10 3 Pa - 31 mm Hg 33 Applicazione dell’equazione di Bernoulli La fleboclisi y h p cannula p atmosferic a ρ g h 36 Applicazione dell’equazione di Bernoulli La fleboclisi h 0.25 m Pcannula 1.013 105 Pa (1.000 103 kgm 3 ) (9.810 m s -2 ) (0.2500 m) 1.037 105 Pa Pcannula Patmosferic a (1.037 - 1.013) 105 2.400 103 Pa 18.05 Torr Il flacone deve essere posto ad una altezza h sufficiente per avere Pcannula – Patmosferica > Pvena 37 Misura della pressione arteriosa con lo sfigmomanometro Comprimo l’arteria per ottenere p > psistolica La circolazione è momentaneamente bloccata 38 Misura della pressione arteriosa con lo sfigmomanometro Diminuisco lentamente la pressione 39 Misura della pressione arteriosa con lo sfigmomanometro ps = pressione sistolica pd = pressione diastolica p > ps silenzio ps > p > pd rumore pulsato p < pd rumore continuo Nota. Quando ps > p > pd : • il rumore è pulsato perchè il sangue fluisce quando la pressione del sangue è maggiore della pressione esercitata dalla fascia • il flusso è turbolento e quindi il rumore è diverso da quando ho p < pd 40 Riassumendo Per i liquidi ideali la conservazione dell’energia meccanica porta al teorema di Bernoulli.... ..... molto utile per risolvere i problemi più disparati Prossima lezione: i liquidi reali 41