Modellazione biomeccanica

La meccanica dei fluidi è la branca della meccanica applicata che studia la statica (fluidi a riposo) e la dinamica (fluidi in movimento) di liquidi e gas. Applica i principi fondamentali di conservazione di massa, quantità di moto ed energia per analizzare e prevedere il comportamento dei fluidi. Le sue applicazioni sono vaste e spaziano dall'aerodinamica e dall'idraulica alla meteorologia e all'oceanografia.

Nella meccanica del continuo, il principio di conservazione della massa afferma che la massa di un sistema chiuso deve rimanere costante nel tempo. Per un fluido, questo principio è espresso dall'equazione di continuità. Nella sua forma differenziale euleriana, si scrive come [latex]\frac{parziale \rho}{parziale t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0[/latex], dove [latex]\rho[/latex] è la densità e [latex]\mathbf{u}[/latex] è il campo di velocità.

Esistono due modi per descrivere il movimento nella meccanica del continuo:

• la specifica lagrangiana segue le singole particelle del materiale, tracciandone le proprietà nel tempo, come osservare un'auto specifica nel traffico
• La specifica euleriana si concentra sui punti fissi nello spazio, osservando le proprietà (velocità, densità) di qualsiasi particella passi attraverso quei punti, come una telecamera per il traffico che osserva un'intersezione fissa.

La meccanica dei solidi è una branca della meccanica dei continui che studia il comportamento dei materiali solidi, in particolare il loro moto e la loro deformazione sotto l'azione di forze, variazioni di temperatura o altri carichi esterni. È fondamentale in ingegneria per la progettazione e l'analisi delle strutture. Le aree chiave includono l'elasticità (deformazione recuperabile), la plasticità (deformazione permanente) e la meccanica della frattura (innesco e propagazione delle cricche).

La forza elettromotrice ([latex]\mathcal{E}[/latex]) è il lavoro svolto per unità di carica elettrica da una sorgente non elettrica, come una batteria o un generatore. Nonostante il nome, non si tratta di una forza meccanica ma di un potenziale elettrico, misurato in volt. Rappresenta l'energia convertita da un'altra forma (chimica, meccanica) in energia elettrica quando una carica attraversa la sorgente.

La corrente elettrica in una pila Voltaica è prodotta da una reazione redox. All'anodo di zinco, lo zinco metallico viene ossidato, liberando due elettroni per atomo ([latex]Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}[/latex]). Questi elettroni viaggiano attraverso il circuito esterno fino al catodo di rame. Qui, gli ioni di idrogeno provenienti dall'elettrolita acquoso vengono ridotti, formando idrogeno gassoso ([latex]2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_2[/latex]).

L'umidità assoluta ([latex]d_v[/latex]) è la massa totale di vapore acqueo ([latex]m_{H_2O}[/latex]) presente in un determinato volume d'aria ([latex]V_{air}[/latex]). Si esprime in grammi di vapore acqueo per metro cubo d'aria ([latex]g/m^3[/latex]). La formula è [latex]d_v = \frac{m_{H_2O}}{V_{air}}[/latex]. A differenza dell'umidità relativa, non dipende dalla temperatura dell'aria, ma è influenzata dalle variazioni di pressione o volume dell'aria.

In un quadro di riferimento che ruota con velocità angolare [latex]\boldsymbol{\omega}[/latex], la forza centrifuga [latex]\mathbf{F}_{\mathrm{cf}}[/latex] che agisce su un oggetto di massa [latex]m[/latex] in un vettore posizione [latex]\mathbf{r}[/latex] dall'origine è data dalla formula vettoriale: [latex]\mathbf{F}_{mathrm{cf}} = -m \boldsymbol{\omega} \times (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r})[/latex]. Questa formula mostra che la forza è diretta perpendicolarmente all'asse di rotazione e verso l'esterno.

La legge di Coulomb quantifica la forza elettrostatica tra due particelle stazionarie elettricamente cariche. La forza è direttamente proporzionale al prodotto delle grandezze delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra di esse. La formula è [latex]F = k_e \frac{q_1 q_2}{r^2}[/latex]. Questa forza può essere attrattiva o repulsiva.

Riformulazione della meccanica classica basata sul principio dell'azione stazionaria. Utilizza una quantità scalare chiamata lagrangiana, definita come energia cinetica meno energia potenziale ([latex]L = T - V[/latex]). Le equazioni del moto sono derivate dall'equazione di Eulero-Lagrange, [latex]\frac{d}{dt} \left( \frac{\partial L}{\partial \dot{q}_i} \right) - \frac{\partial L}{\partial q_i} = 0[/latex], utilizzando coordinate generalizzate, che semplificano l'analisi di sistemi complessi con vincoli.

La corrosione galvanica è un processo elettrochimico in cui un metallo si corrode preferenzialmente quando è in contatto elettrico con un altro in presenza di un elettrolita. Ciò avviene perché i metalli dissimili creano una coppia bimetallica, con il metallo meno nobile (più attivo) che funge da anodo e si corrode, mentre il metallo più nobile funge da catodo.

La prima batteria elettrica, produceva corrente continua impilando coppie di dischi metallici dissimili (ad esempio, zinco e rame) separati da un panno imbevuto di salamoia. Ogni coppia forma una cella galvanica e impilandoli in serie si aumenta la tensione complessiva. Questa disposizione dimostrò la prima conversione continua di energia chimica in energia elettrica, aprendo la strada all'elettrochimica moderna.

La pila di Voltaic ha stabilito il principio della somma delle tensioni collegando in serie le celle elettrochimiche. Ogni coppia zinco-rame, o cella, genera una forza elettromotrice (EMF) caratteristica di circa 0,76 volt. Impilando fisicamente queste celle, Volta dimostrò che la tensione totale attraverso la pila è la somma dei singoli campi elettromagnetici di ciascuna cella, come descritto da [latex]V_{totale} = n \times V_{cell}[/latex].

Una zona di Fresnel è una di una serie di regioni ellissoidali confocali prolate nello spazio tra un trasmettitore e un ricevitore. Il confine della zona primaria è l'ellissoide in cui la lunghezza del percorso dal trasmettitore a un punto sulla superficie fino al ricevitore è di mezza lunghezza d'onda maggiore del percorso diretto, causando uno sfasamento di 180 gradi.