Fisica medica

Programma del corso:
Grandezze fisiche, dimensione ed unità di misura, SI, ordini di grandezza, valutazioni e stime, grandezze estensive ed intensive, scalari e vettoriali (massa, densità, tempo, posizione, spostamento, velocità, accelerazione). Razionalizzazione e rappresentazione di relazioni fra grandezze, analitiche e grafiche. Funzioni analitiche idonee alla rappresentazione di fenomeni lineari e non lineari, fenomeni periodici, decadimenti ed assorbimenti, parametri caratteristici. Informazioni puntuali, tendenziali ed integrali e loro rappresentazione analitica e grafica. Derivate ed integrali di funzioni semplici (polinomi, funzioni trigonometriche, esponenziale e logaritmo) e loro proprietà fondamentali. Derivate di vettori. Teorema fondamentale del calcolo integrale. Adattamento ai casi specifici, condizioni al contorno. Elementi di propagazione degli errori. Applicazioni alla cinematica (moti rettilinei e curvilinei, composizione di moti, moti periodici), ai decadimenti radioattivi.

Interazioni, principi della dinamica. Equilibrio traslazionale. Forza peso e gravitazionale, forza di contatto, tensione, forza elastica. Moti generati. Attrito. Attrito per contatto, limite di scivolamento, coefficienti di attrito. Attrito aerodinamico, velocità limite. Lavoro meccanico. Teorema dell'energia cinetica. Forze conservative. Energia potenziale. Energia meccanica totale. Conservazione dell'energia meccanica. Potenza. Impulso e quantità di moto. Teorema dell'impulso. Urti. Sistemi di punti e corpi estesi. Corpi rigidi. Centro di massa. Seconda legge per il centro di massa. Momenti, baricentro. Equilibrio rotazionale. Leve. Corpi deformabili, elasticità, relazione stress/strain e rappresentazione grafica corrispondente. Regime lineare, moduli di Young e di Poisson. Limite di rottura. Allungamento, torsione, flessione, strutture tubolari e fibra neutra. Cenno ai materiali compositi. Esempi e rimandi a casi semplici di biomeccanica in particolare a equilibri e sistemi di leve nel corpo umano.

Fluidi. Grandezze caratteristiche per la descrizione statica: pressione e densità. Relazioni fra unità di misura di pressione. Leggi dell'idrostatica, Stevino, Pascal e Archimede. Grandezze caratteristiche per la descrizione dinamica: portata e viscosità. Proprietà colligative. Flusso laminare. Teorema di Leonardo. Fluidi ideali, teorema di Bernoulli, paradosso di Bernoulli, Torricelli. Fluidi reali. Profilo di velocità, gradiente di velocità. Legge di Poiseuille, resistenza idraulica. Interpretazione come legge del trasporto. Circuiti idraulici complessi, composizione di resistenze in serie e in parallelo. Passaggio al regime turbolento, velocità critica e numero di Reynolds. Considerazioni energetiche. Fluidi non-Newtoniani, classificazione in base alle caratteristiche del diagramma sforzo tangenziale - gradiente di velocità. Proprietà reologiche del sangue. Modelli approssimati per la descrizione del circuito circolatorio e per il calcolo del lavoro meccanico e dalla potenza cardiaca, pressione minima e massima, misurazione della pressione. Fenomeni di superficie, origine microscopica della contrattilità superficiale, tensione superficiale. Conseguenze su interfacce fluide piane e curve. Pressione di curvatura, legge di Laplace. Capillarità. Tensioattivi. Esempi e rimandi a situazioni di interesse medico, embolia, alveoli polmonari, risposta dei vasi in tensione.

Onde. Oscillatore armonico. Propagazione di onde in una corda. Velocità di propagazione. Funzione d'onda. Lunghezza d'onda e vettor d'onda. Sfasamento, interferenza, costruttiva e interferenza distruttiva. Energia trasportata da un onda. Onde acustiche. Velocità del suono nei mezzi. Onda di pressione. Potenza di un'onda acustica. Intensità e livello di intensità sonora distante dalla sorgente. Limite di udibilità. Il decibel. Ampiezza massima della variazione di pressione e ampiezza di spostamento. Ultrasuoni e principi fisici dell'ecografia.


Termologia, termodinamica e gas.
Variabili termodinamiche, stati dinamici e termodinamici, definizione operativa della temperatura, termometri e scale di temperatura.
Legge dei gas perfetti. Teoria cinetica dei gas perfetti, legame fra temperatura ed energia interna di un gas perfetto. Miscele di gas, pressioni parziali, legge di Dalton. Solubilità fisica di gas in liquidi, legge di Henry, estensione del concetto di pressione parziale, respirazione iperbarica. Soluzioni come gas di particelle. Diffusione attraverso un setto poroso non selettivo e diffusione libera. Legge del trasporto contro il gradiente di concentrazione, I e II legge di Fick. Trasporto attraverso membrane selettive, celle osmotiche, pressione osmotica, origine microscopica della pressione osmotica, legge di Van't Hoff. Pressione idrostatica ed osmotica, rimando agli effetti nel letto capillare ed alla dialisi.
Calore. Capacità termica e calore specifico. Passaggi di stato e calore latente. Calorimetria. Flusso di calore. Leggi del trasporto del calore contro il gradiente di temperatura. Conduzione, convezione, irraggiamento. Legge dello spostamento di Wien, potenza irraggiata e temperatura della sorgente, emissività. Bilancio dell'irraggiamento per il corpo umano, termografia. Evaporazione. Umidità assoluta e relativa.
Sistema ed ambiente, scambi di energia. Stato e funzioni di stato. Primo principio della termodinamica. Calore e lavoro, convenzione dei segni. Lavoro compiuto da un gas perfetto. Trasformazioni reversibili ed irreversibili. Trasformazioni semplici di un gas perfetto: adiabatica, isocora, isoterma, isobara, espansione libera. Calcolo dei lavori e dei calori scambiati. Calore specifico molare a pressione e volume costante. Trasformazioni cicliche. Secondo principio della termodinamica. Macchine termiche, ciclo di Carnot e rendimento di una macchina termica. Entropia. Correlati macroscopici e microscopici dell'entropia. Potenziali termodinamici, energia libera, potenziale chimico.

Elettricità e magnetismo. Carica elettrica, proprietà fondamentali. Forza elettrostatica, campo elettrico generato da una carica puntiforme. Energia potenziale di un sistema di cariche puntiformi, potenziale. Considerazioni energetiche. Conduttori e dielettrici. Induzione, polarizzazione. Moto di cariche in solidi e liquidi. Elettroforesi, mobilità elettroforetica. Dipolo elettrico. Corrente elettrica, potenza. Conduttori ohmici, leggi di Ohm, resistenza e resistività, potenza per i conduttori ohmici, resistenze in serie e in parallelo. Capacità di un conduttore. Condensatori, capacità di un condensatore, effetto del dielettrico, energia immagazzinata. Condensatori in serie ed in parallelo. Processo di carica e scarica di un condensatore. Rimandi al funzionamento di defibrillatori e pacemaker. Considerazioni generali sul trasporto di ioni attraverso le membrane. Generalità sul campo magnetico, materiali diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici. Campo magnetico e correnti, esperienza di Oerstedt, forza di Lorentz, momento magnetico di una spira percorsa da corrente, legge di Biot e Savart. Campi magnetici variabili, flusso del campo magnetico, legge di Faraday-Neuman-Lenz, correnti indotte.

Radiazioni e interazioni con la materia. Radiazione elettromagnetica. Equazione delle onde per E e B. Vettore di Poynting, intensità. Spettro della radiazione. Classificazione della radiazione. Radiazioni ionizzanti e non ionizzanti. Antenna dipolare. Tubo di Coolidge e generazione di rX. Radiazione di frenamento. Interazione radiazione-materia. Assorbimento della radiazione. Legge dell'assorbimento. Coefficienti di assorbimento lineare. Decadimenti radioattivi. Isotopi stabili e radioattivi. Decadimenti beta e alfa. Principi fisici della risonanza magnetica e cenni alle applicazioni in diagnostica medica, tempi di rilassamento T1 e T2, imaging RMN.

Programma del corso:
Grandezze fisiche, dimensione ed unità di misura, SI, ordini di grandezza, valutazioni e stime, grandezze estensive ed intensive, scalari e vettoriali (massa, densità, tempo, posizione, spostamento, velocità, accelerazione). Razionalizzazione e rappresentazione di relazioni fra grandezze, analitiche e grafiche. Funzioni analitiche idonee alla rappresentazione di fenomeni lineari e non lineari, fenomeni periodici, decadimenti ed assorbimenti, parametri caratteristici. Informazioni puntuali, tendenziali ed integrali e loro rappresentazione analitica e grafica. Derivate ed integrali di funzioni semplici (polinomi, funzioni trigonometriche, esponenziale e logaritmo) e loro proprietà fondamentali. Derivate di vettori. Teorema fondamentale del calcolo integrale. Adattamento ai casi specifici, condizioni al contorno. Elementi di propagazione degli errori. Applicazioni alla cinematica (moti rettilinei e curvilinei, composizione di moti, moti periodici), ai decadimenti radioattivi.

Interazioni, principi della dinamica. Equilibrio traslazionale. Forza peso e gravitazionale, forza di contatto, tensione, forza elastica. Moti generati. Attrito. Attrito per contatto, limite di scivolamento, coefficienti di attrito. Attrito aerodinamico, velocità limite. Lavoro meccanico. Teorema dell'energia cinetica. Forze conservative. Energia potenziale. Energia meccanica totale. Conservazione dell'energia meccanica. Potenza. Impulso e quantità di moto. Teorema dell'impulso. Urti. Sistemi di punti e corpi estesi. Corpi rigidi. Centro di massa. Seconda legge per il centro di massa. Momenti, baricentro. Equilibrio rotazionale. Leve. Corpi deformabili, elasticità, relazione stress/strain e rappresentazione grafica corrispondente. Regime lineare, moduli di Young e di Poisson. Limite di rottura. Allungamento, torsione, flessione, strutture tubolari e fibra neutra. Cenno ai materiali compositi. Esempi e rimandi a casi semplici di biomeccanica in particolare a equilibri e sistemi di leve nel corpo umano.

Fluidi. Grandezze caratteristiche per la descrizione statica: pressione e densità. Relazioni fra unità di misura di pressione. Leggi dell'idrostatica, Stevino, Pascal e Archimede. Grandezze caratteristiche per la descrizione dinamica: portata e viscosità. Proprietà colligative. Flusso laminare. Teorema di Leonardo. Fluidi ideali, teorema di Bernoulli, paradosso di Bernoulli, Torricelli. Fluidi reali. Profilo di velocità, gradiente di velocità. Legge di Poiseuille, resistenza idraulica. Interpretazione come legge del trasporto. Circuiti idraulici complessi, composizione di resistenze in serie e in parallelo. Passaggio al regime turbolento, velocità critica e numero di Reynolds. Considerazioni energetiche. Fluidi non-Newtoniani, classificazione in base alle caratteristiche del diagramma sforzo tangenziale - gradiente di velocità. Proprietà reologiche del sangue. Modelli approssimati per la descrizione del circuito circolatorio e per il calcolo del lavoro meccanico e dalla potenza cardiaca, pressione minima e massima, misurazione della pressione. Fenomeni di superficie, origine microscopica della contrattilità superficiale, tensione superficiale. Conseguenze su interfacce fluide piane e curve. Pressione di curvatura, legge di Laplace. Capillarità. Tensioattivi. Esempi e rimandi a situazioni di interesse medico, embolia, alveoli polmonari, risposta dei vasi in tensione.

Onde. Oscillatore armonico. Propagazione di onde in una corda. Velocità di propagazione. Funzione d'onda. Lunghezza d'onda e vettor d'onda. Sfasamento, interferenza, costruttiva e interferenza distruttiva. Energia trasportata da un onda. Onde acustiche. Velocità del suono nei mezzi. Onda di pressione. Potenza di un'onda acustica. Intensità e livello di intensità sonora distante dalla sorgente. Limite di udibilità. Il decibel. Ampiezza massima della variazione di pressione e ampiezza di spostamento. Ultrasuoni e principi fisici dell'ecografia.

Termologia, termodinamica e gas.
Variabili termodinamiche, stati dinamici e termodinamici, definizione operativa della temperatura, termometri e scale di temperatura.
Legge dei gas perfetti. Teoria cinetica dei gas perfetti, legame fra temperatura ed energia interna di un gas perfetto. Miscele di gas, pressioni parziali, legge di Dalton. Solubilità fisica di gas in liquidi, legge di Henry, estensione del concetto di pressione parziale, respirazione iperbarica. Soluzioni come gas di particelle. Diffusione attraverso un setto poroso non selettivo e diffusione libera. Legge del trasporto contro il gradiente di concentrazione, I e II legge di Fick. Trasporto attraverso membrane selettive, celle osmotiche, pressione osmotica, origine microscopica della pressione osmotica, legge di Van't Hoff. Pressione idrostatica ed osmotica, rimando agli effetti nel letto capillare ed alla dialisi.
Calore. Capacità termica e calore specifico. Passaggi di stato e calore latente. Calorimetria. Flusso di calore. Leggi del trasporto del calore contro il gradiente di temperatura. Conduzione, convezione, irraggiamento. Legge dello spostamento di Wien, potenza irraggiata e temperatura della sorgente, emissività. Bilancio dell'irraggiamento per il corpo umano, termografia. Evaporazione. Umidità assoluta e relativa.
Sistema ed ambiente, scambi di energia. Stato e funzioni di stato. Primo principio della termodinamica. Calore e lavoro, convenzione dei segni. Lavoro compiuto da un gas perfetto. Trasformazioni reversibili ed irreversibili. Trasformazioni semplici di un gas perfetto: adiabatica, isocora, isoterma, isobara, espansione libera. Calcolo dei lavori e dei calori scambiati. Calore specifico molare a pressione e volume costante. Trasformazioni cicliche. Secondo principio della termodinamica. Macchine termiche, ciclo di Carnot e rendimento di una macchina termica. Entropia. Correlati macroscopici e microscopici dell'entropia. Potenziali termodinamici, energia libera, potenziale chimico.

Elettricità e magnetismo. Carica elettrica, proprietà fondamentali. Forza elettrostatica, campo elettrico generato da una carica puntiforme. Energia potenziale di un sistema di cariche puntiformi, potenziale. Considerazioni energetiche. Conduttori e dielettrici. Induzione, polarizzazione. Moto di cariche in solidi e liquidi. Elettroforesi, mobilità elettroforetica. Dipolo elettrico. Corrente elettrica, potenza. Conduttori ohmici, leggi di Ohm, resistenza e resistività, potenza per i conduttori ohmici, resistenze in serie e in parallelo. Capacità di un conduttore. Condensatori, capacità di un condensatore, effetto del dielettrico, energia immagazzinata. Condensatori in serie ed in parallelo. Processo di carica e scarica di un condensatore. Rimandi al funzionamento di defibrillatori e pacemaker. Considerazioni generali sul trasporto di ioni attraverso le membrane. Generalità sul campo magnetico, materiali diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici. Campo magnetico e correnti, esperienza di Oerstedt, forza di Lorentz, momento magnetico di una spira percorsa da corrente, legge di Biot e Savart. Campi magnetici variabili, flusso del campo magnetico, legge di Faraday-Neuman-Lenz, correnti indotte.

Radiazioni e interazioni con la materia. Radiazione elettromagnetica. Equazione delle onde per E e B. Vettore di Poynting, intensità. Spettro della radiazione. Classificazione della radiazione. Radiazioni ionizzanti e non ionizzanti. Antenna dipolare. Tubo di Coolidge e generazione di rX. Radiazione di frenamento. Interazione radiazione-materia. Assorbimento della radiazione. Legge dell'assorbimento. Coefficienti di assorbimento lineare. Decadimenti radioattivi. Isotopi stabili e radioattivi. Decadimenti beta e alfa. Principi fisici della risonanza magnetica e cenni alle applicazioni in diagnostica medica, tempi di rilassamento T1 e T2, imaging RMN.