Manuale di fisica moderna
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Simone Malacrida
Simone Malacrida (1977) Ha lavorato nel settore della ricerca (ottica e nanotecnologie) e, in seguito, in quello industriale-impiantistico, in particolare nel Power, nell'Oil&Gas e nelle infrastrutture. E' interessato a problematiche finanziarie ed energetiche. Ha pubblicato un primo ciclo di 21 libri principali (10 divulgativi e didattici e 11 romanzi) + 91 manuali didattici derivati. Un secondo ciclo, sempre di 21 libri, è in corso di elaborazione e sviluppo.
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Anteprima del libro
Manuale di fisica moderna - Simone Malacrida
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INDICE ANALITICO
INTRODUZIONE
SISTEMA INTERNAZIONALE
PREFISSI
COSTANTI FISICHE
OPERATORE NABLA
CENNI DI CALCOLO TENSORIALE
I – IL METODO SCIENTIFICO
II – LA MECCANICA CLASSICA
III – LA TEORIA CLASSICA DELLA GRAVITAZIONE E L’ASTRONOMIA
IV – I FLUIDI E I FENOMENI DI TRASPORTO
V – L’OTTICA
VI – LE ONDE E I FENOMENI OSCILLATORI
VII – LA TERMODINAMICA E LA TRASMISSIONE DEL CALORE
VIII – LA FISICA STATISTICA
IX – L’ELETTROMAGNETISMO
X – LA CRISI DELLA FISICA CLASSICA
INTRODUZIONE
In questo manuale sarà data una chiara, quanto sintetica, panoramica circa i campi di interesse della fisica moderna avendo a riferimento i punti precisi corrispondenti all’inizio e alla fine di questo percorso.
La fisica moderna ha avuto origine dall’introduzione del metodo scientifico, prima a livello filosofico, poi a livello sperimentale e pratico. Nel momento in cui il metodo scientifico entrò nella prassi del ragionamento sul quale basare gli assunti e le deduzioni, si ebbe un salto di qualità enorme rispetto a tutta la conoscenza precedente.
Possiamo affermare che tutte le scoperte e le applicazioni avvenute in passato rispetto a quell’evento sono in realtà frutto di approcci semi-empirici e non propriamente di scienza come oggi la intendiamo. Quel punto di non ritorno è stato tale da determinare uno spartiacque storico, alla stessa stregua di come siamo abituati a considerare eventi del calibro della Rivoluzione Francese, della caduta dell’Impero Romano o della scoperta dell’America.
Da quel momento, l’indagine scientifica ha avuto un’accelerazione impressionante spaziando in ogni campo conoscitivo e ha impresso alla società, in termini di applicazioni e conseguenze quotidiane, un’impronta decisamente diversa rispetto al passato, arrivando a creare quelle condizioni e quei prerequisiti necessari alla Rivoluzione Industriale, avvenuta solamente meno di due secoli dopo quei primi vagiti scientifici.
La fine del percorso della fisica moderna coincide con la fine dell’Ottocento e con la presa d’atto che, nello spaziare della conoscenza in tutti i settori, si era giunti a delle contraddizioni tali per cui gli schemi teorici precedenti andavano completamente rivisti. Da quel periodo, noto storicamente come crisi della fisica classica, si uscì con le due teorie rivoluzionarie del Novecento che sono la base della fisica contemporanea, quella che noi oggi utilizziamo per la descrizione della Natura e di ciò che ci circonda.
In questo lasso temporale, durato due secoli abbondanti, la fisica è riuscita a sondare scientificamente varie discipline quali la meccanica in tutte le sue forme (statica, dinamica e cinematica), l’astronomia, la teoria della gravitazione, l’ottica, i fenomeni ondulatori e quelli oscillatori, la fluidodinamica, la termodinamica, la trasmissione del calore, la statistica applicata alla fisica, i fenomeni elettrici e magnetici.
Come si vede da questo piccolo elenco, l’elaborazione di teorie che prevedono e spiegano i risultati sperimentali è stata così pervasiva da non aver lasciato nulla di inesplorato, con le limitazioni che le apparecchiature di allora potevano avere (è ovvio che era del tutto fuori luogo pensare di sondare le caratteristiche dell’atomo e del nucleo atomico, non avendo a disposizione i mezzi materiali adatti per rilevare i dati sperimentali essenziali).
Per trattare in modo esaustivo tutti questi settori e tutte queste discipline fisiche sarebbero necessari svariati libri, ognuno dei quali incentrato su un particolare aspetto. Si possono trovare migliaia di pubblicazioni solo per l’elettromagnetismo, e lo stesso dicasi per la termodinamica o per la meccanica.
Questo manuale ha invece una caratteristica del tutto differente che è legata alla sinteticità nell’esposizione degli argomenti, senza per questo tralasciare le equazioni fondamentali e le implicazioni matematiche, fisiche e filosofiche di quanto andremo ad esporre.
Un ruolo essenziale in questo libro sarà dato dal formalismo matematico, che non sarà celato, ma messo in evidenza, proprio perché, solo guardando in faccia
le equazioni costitutive, si può avere un’idea reale della teoria fisica e del legame con la parte sperimentale.
Facendo così, il manuale è adatto a chi ha già conoscenze matematiche pregresse, in particolar modo per quanto concerne l’analisi matematica.
L’elenco delle discipline ricordate in precedenza è uno specchio dell’indice di questo libro con una logica nell’esposizione degli argomenti frutto di un misto tra una descrizione cronologica e una tipicamente legata agli argomenti.
Ad esempio, la trattazione della termodinamica sarà posposta rispetto a quanto si riferisce alla meccanica. Ciò ha un nesso cronologico dovuto al fatto che la meccanica si è sviluppata, nella sua pienezza, molto prima della termodinamica.
Allo stesso tempo, però, le singole discipline fisiche si evolvono al loro interno, scoprendo parallelismi e connessioni a secoli di distanza dall’enunciazione della teoria di base. Ciò vuol dire che, nel paragrafo relativo alla meccanica, saranno presenti anche le equazioni relative a formalismi, come quelli di Lagrange e Hamilton, posteriori rispetto a molte altre teorie fisiche.
Ogni paragrafo è dunque una storia nella storia
avendo al proprio interno una cronologia che, a volte, scavalca quella del libro inteso nel suo complesso.
Ci si potrebbe chiedere quale interesse ha sondare, oggi, queste teorie fisiche se poi la fisica contemporanea le ha estese e, a volte, confutate.
L’interesse circa la fisica moderna è, in realtà, triplice.
In primo luogo, essa è la base della fisica contemporanea e quindi, senza questi presupposti, è assai arduo comprendere le successive evoluzioni.
Inoltre, la fisica contemporanea ha generalizzato molti aspetti di quella moderna. Studiando quest’ultima si hanno quindi dei punti di vista privilegiati per comprendere i meccanismi di unificazione delle teorie, dopo che per secoli si è tentato invece di studiare settori quanto più diversi tra di loro.
Infine, la fisica moderna è ancora applicabile in moltissimi aspetti concreti e sperimentali. Nella scienza e nella tecnologia di tutti i giorni ci si imbatte spesso in quelle approssimazioni nelle quali la fisica moderna è ancora valida. Parlando di meccanica industriale o elettrotecnica o industria delle materie prime, le teorie della meccanica, dell’elettromagnetismo e della termodinamica sono applicabili senza alcuna limitazione. Ecco dunque che parte della tecnologia di oggi può essere progettata, compresa e realizzata con le formule presenti in questo manuale.
La tendenza principale della fisica moderna è stata quella di applicare il metodo scientifico in ogni settore della Natura sondabile da esperimenti che potevano smentire o confermare una data teoria.
Pertanto la fisica moderna è una vera e propria enciclopedia
, ossia una summa di svariate conoscenze racchiuse nel medesimo canovaccio descrittivo, dato dal metodo scientifico e dal formalismo matematico necessario.
I lasciti di questa enciclopedia nella società di oggi sono