Le onde

Le onde sono un fenomeno fisico molto complesso, pertanto per studiarle sono necessarie alcune conoscenze di base: cliccando sul pulsante sottostante si aprirà una mappa concettuale in cui sono esposti - in maniera molto schematica- alcuni fondamentali di fisica, necessari per studiare questo argomento.

In fisica con il termine onda si indica una perturbazione che nasce da una sorgente e si propaga nel tempo e nello spazio, trasportando energia senza trasportare materia.
Esistono diverse tipologie di onde, alcune si propagano solo in presenza di un mezzo materiale, altre sono in grado di propagarsi anche nel vuoto. Le prime sono onde elastiche o meccaniche, le seconde sono onde elettromagnetiche.

Dopo la visione del video, entreremo nel dettaglio delle onde elastiche.

Le onde si possono propagare in un mezzo unidimensionale, ma anche in uno bidimensionale o tridimensionale. Quando produciamo un'oscillazione delle particelle, tutti i punti che si trovano alla stessa distanza dalla sorgente vengono definiti fronti d'onda.

E' detto fronte d'onda l'insieme di tutti i punti la cui grandezza oscillante ha lo stesso valore

Le rette perpendicolari al fronte dell'onda sono chiamati raggi.
In un onda circolare i raggi sono semirette che escono dalla sorgente dell'onda, mentre in un'onda piana i raggi sono segmenti di retta paralleli tra loro.

Per rappresentare le onde si ricorre a due diversi tipi di rappresentazione: la rappresentazione spaziale e la rappresentazione temporale.

La rappresentazione spaziale dell'onda corrisponde alla sua fotografia cioè la sua forma in un dato istante.

  • L'ampiezza viene indicata con A e indica il massimo spostamento dalla posizione di equilibrio delle particelle del mezzo.
  • La lunghezza d'onda viene indicata con la lettera greca λ (lambda) e indica la distanza fra due punti identici e successivi dell'onda.

La rappresentazione temporale dell'onda ci da lo spostamento di una particella in funzione del tempo. Può essere definita come la legge oraria del moto di una particella del mezzo.

  • L'ampiezza viene indicata con A e corrisponde al massimo spostamento dalla posizione di equilibrio dalle particelle del mezzo.
  • il periodo viene indicato con T è corrisponde all'intervallo di tempo in cui un punto del mezzo compie un'oscillazione completa.

Le onde elastiche possono essere divise in due categorie principali: le onde trasversali e le onde longitudinali.

Si definisce onda trasversale un'onda in cui gli elementi del mezzo materiale si spostano perpendicolarmente al moto dell’onda.Un esempio di onda trasversale è una corda oscillante; ma allo stesso modo si propagano alcune onde sismiche, le onde magnetiche e le onde magnetiche

Si definisce onda longitudinale un'onda in cui gli elementi del mezzo materiale si spostano parallelamente al moto dell'onda.

Esiste poi una terza categoria di onde elastiche: le onde superficiali. Queste sono una combinazione di onde longitudinali e onde trasversali.
Le onde si possono propagare sulla superficie dei liquidi grazie all'azione di due forze di richiamo: la tensione superficiale e la gravità. A seconda di quale delle due forze predomina sull'altra possiamo avere le onde capillari (se domina la tensione superficiale) o le onde di gravità (quando la tensione superficiale è trascurabile, e la forza di richiamo è dovuta solo alla gravità)

Un'onda è detta armonica quando i punti del mezzo materiale in cui si propaga si muovono di moto armonico intorno alla posizione d'equilibrio.  Queste onde sono le onde periodiche più semplici.

Onde su corda

Un modello semplice e adatto per studiare le caratteristiche delle onde meccaniche può essere una corda elastica. Grazie a questa possiamo facilmente studiare alcuni fenomeni come la velocità di propagazione;l'energia trasportata da un onda e i fenomeni di interferenze e riflessione.

Velocità di propagazione

La velocità di propagazione è la velocità con cui l'onda si muove. Questa dipende -generalmente- da:

  • la forza di richiamo: quando queste forze sono molto intense danno luogo ad accelerazioni maggiori delle particelle che oscillando propagano più rapidamente la perturbazione
  • la massa degli elementi che oscillano: a parità di forze di richiamo, le masse maggiori subiscono accelerazioni minori rispetto ai corpi più leggeri e quindi oscillano più lentamente.

Se si utilizza il modello della corda elastica i fattori determinati variano e diventano:

  • la tensione della corda: se sottoponiamo la corda a una grande tensione, fra i suoi elementi vengono esercitate forze di richiamo molto intense; se la tensione è nulla, non si possono propagare le onde. Questa tensione si indica con il vettore F.
  • la densità lineare della corda: A diversi valori della densità di un corpo possiamo avere una forza di richiamo x in grado di produrre un accelerazione grande o piccola; in generale se un elemento ha una piccola massa viene accelerato molto, viceversa viene accelerato poco. Questa densità viene indicata con la lettera greca μ (mi)

La velocità di propagazione v di un'onda su una corda con densità lineare μ e sottoposta a tensione F è:

Energia trasportata

Se consideriamo un oscillatore armonico che genera onde di ampiezza A su una corda, notiamo come la sorgente sia in grado di compiere un lavoro che contrasta le forze di richiamo e che trasmette sotto forma di energia alla corda. Ricordandoci che il nostro modello è un modello ideale, possiamo trascurare gli attriti. Quindi l'energia trasmessa alla corda seguirà la relazione:

Riflessione

Arrivando all'estremo della corda, l'onda si riflette cioè inverte il senso del moto e torna indietro.
Le caratteristiche dell'onda riflessa variano se l'estremo è fisso oppure libero di muoversi.

  • Quando l'onda raggiunge l'estremo fisso esercita una forza verso l'alto contro il gancio in cui la corda è fissata, questo per reazione il gancio esercita una forza uguale e opposta che fa partire un'onda invertita.
  • Quando l'onda raggiunge l'estremo libero questo è messo in movimento da essa. Quando raggiunge l'ampiezza massima, la forza di richiamo della corda tende a farlo ritornare nella posizione di equilibrio. Si crea così un impulso identico al primo, ma di verso opposto.

Interferenza

L'interferenza è un fenomeno che si presenta quando due o più onde della stessa natura si presentano nello stesso istante nella stessa regione. Questo fenomeno è interamente dovuto al principio di sovrapposizione, che afferma che "nella regione in cui si sovrappongono due o più onde, la perturbazione totale  è la somma delle perturbazioni che ciascuna produrrebbe da sola.
Quando due onde si incontrano possono generare una sovrapposizione costruttiva o una sovrapposizione distruttiva:

  • Nella sovrapposizione costruttiva lo spostamento dei punti della corda è maggiore di quelli indotti da ciascuno dei singoli punti. Questi vengono anche chiamati impulsi in fase
  • Nella sovrapposizione distruttiva gli spostamenti indotti dagli impulsi si annullano reciprocamente. Queste vengono anche chiamati impulsi in controfase.

IL SUONO

Un particolare tipo di onda longitudinale sono le onde sonore. Noi percepiamo il suono perchè queste onde mettono in movimento i nostri timpani. Come ogni tipo di onde, queste onde sono generate de una sorgente e si propagano in un mezzo elastico.
La velocità del suono dipende  dalle caratteristiche del materiale in cui si propaga, inoltre (come nelle onde traversali):

  • aumenta con l'aumentare dell'intensità delle forze di richiamo
  • diminuisce con l'aumentare della massa delle molecole che oscillano

La frequenza

L'altezza di un suono si riferisce al suo essere acuto o graveciò dipende dalla frequenza. Un suono è acuto quando la sua frequenza è elevata, è grave quando la frequenza è bassa.

Generalmente l'orecchio umano è in grado di percepire suoni con frequenze comprese tra i 20 Hz e i 20 kHz . Prendendo come riferimento i limiti di udibilità umana, vengono chiamati infrasuoni le frerquenze al di sotto dei 20 Hz e ultrasuoni le frequenze maggiori di 20 kHz.

L'intensità dei suoni

Per misurare il flusso di energia che un onda propaga, si utilizza l'unità fisica dell?Intensità.
L'intensità è indicata come l'energia trasportata nell'unità di tempo attraverso una sezione unitaria nel mezzo in cui avviene la propagazione. L'intensità è indicata con la lettera I e si misura in watt al metro quadrato.

Nel caso delle onde sonore, la definizione di intensità è differente:

L'intensità di un'onda armonica è sempre proporzionale al quadrato della sua ampiezza.

Allontanandosi dalla sorgente che produce il suono, l'intensità di esso diminuisce: l'energia si distribuisce in un'area maggiore.

L'eco

Quando un suono colpisce un ostacolo, viene in parte riflesso e da vita al fenomeno dell'eco. Il nostro orecchio percepisce distintamente due suoni che arrivano con un 'intervallo di tempo di almeno un decimo di secondo. Se l'ostacolo è troppo vicino, sentiamo solo un suono che rimbomba.

L'effetto Doppler

L’effetto Doppler è un fenomeno fisico relativo alle onde che coinvolge il cambiamento dell’acutezza di un suono quando la sorgente e colui che ascolta sono in moto relativo tra di loro.  In particolare, quando osservatore e sorgente si avvicinano, il suono percepito dall’osservatore è più acuto del suono originale, mentre quando essi si allontanano uno dall’altro il suono ha un’acutezza minore del suono originale.

A seconda che sia l'osservatore o la sorgente a muoversi, questo effetto varia.