Le Onde



Quando parliamo di onda parliamo di un fenomeno di perturbazione con trasporto di energia senza trasporto di materia.

Tutte le onde hanno un comportamento comune in situazioni standard. Tutte le onde possiedono le seguenti proprietà:

Vi sono vari tipi di onde:

  1. onde che hanno bisogno di un mezzo di propagazione

  2. onde che non hanno bisogno di un mezzo di propagazione

(per mezzo di propagazione indichiamo il mezzo utilizzato dall’onda per diramarsi)

Il mezzo in cui le onde viaggiano può essere classificato a seconda delle seguenti proprietà:



Inoltre si suddividono in:

  1. Onde trasversali

  2. Onde longitudinali


L’ onda trasversale è il tipo di onda il cui spostamento è perpendicolare alla perturbazione.

L’esempio più lampante è quello della pietra lanciata nello stagno che va a creare delle onde.

L’onda longitudinale invece è il tipo di onda il cui spostamento è parallelo alla perturbazione.

Il classico esempio di un’ onda longitudinale è dato dal suono. Quando parliamo, per esempio, le vibrazioni delle nostre corde vocali creano una serie di compressioni e rarefazioni nell’aria.

Le onde differiscono anche a secondo del mezzo di propagazione(aria,acqua,etc.):

  1. Onde nell’ acqua

  2. Onde su una corda

  3. Onde sonore

  4. Onde radio


ONDE NELL’ACQUA


Se lasciamo cadere un sasso in una vasca piena d’acqua, si origina una serie di onde concentriche che partono dal punto in cui esso è caduto. Per mostrare che il movimento dell’ acqua è un moto ondulatorio, basta mettere sulla superficie un pezzetto di sughero. Quando passa l’onda, il moto del sughero seguirà quello dell’acqua. Si osserverà che il sughero si muove seguendo un percorso circolare, ritornando approssimativamente al suo punto di partenza. Quindi ogni elemento dell’acqua si muove sia verticalmente sia orizzontalmente, a mano a mano che l’onda si propaga. Un’onda sull’acqua è una combinazione di onde longitudinali e trasversali.


Lunghezza d’onda, frequenza e velocità


Un’onda può essere pensata come una perturbazione regolare e periodica, che si propaga da un punto a un altro, ripetendosi nello spazio e nel tempo.

Considerando l’immagine di sopra, chiamiamo creste i punti dell’onda corrispondenti al massimo spostamento verso l’alto; quelli corrispondenti al massimo spostamento verso il basso sono chiamati ventri.



La distanza fra una cresta e la successiva, o fra un ventre e il successivo, è la lunghezza d’onda.

Analogamente, il tempo occorrente perché un’onda si ripeta, ovvero perché una lunghezza d’onda passi per un dato punto viene chiamato periodo dell’onda. Strettamente legata al periodo di un ‘onda è la sua frequenza, che, come per le oscillazioni, è definita dalla relazione

F=1/T

Dove T = tempo e f = frequenza.


Combinando queste osservazioni, vediamo che un’onda percorre una distanza in un tempo T. Applicando la definizione di velocità, cioè per distanza percorsa divisa per il tempo necessario a percorrerla, otteniamo la velocità di propagazione di un’onda:

v = l/t

dove l = lunghezza d’onda.



ONDE SU UNA CORDA


Adesso parleremo di alcune delle proprietà fondamentali delle onde che viaggiano

Su una corda, una fune, un cavo o qualunque altro mezzo simile.


Velocità di propagazione di un’onda su una corda


La velocità di propagazione di un ‘onda è determinata dalle proprietà del mezzo attraverso cui si propaga. Nel caso di una corda di lunghezza L, ci sono due caratteristiche fondamentali che determinano la velocità di propagazione dell’onda:

  1. la tensione nella corda;

  2. la massa della corda;


Consideriamo dapprima la tensione, che è la forza F trasmessa attraverso la corda (utilizziamo F anziché T per evitare confusione tra tensione e periodo). Ovviamente deve esserci una tensione nella corda perché si possa propagare un ‘onda.

Immaginiamo, per esempio, che una corda giaccia su un piano levigato con i suoi estremi liberi. Se prendiamo in mano un estremo e lo scuotiamo, la parte di corda vicina alla mano oscillerà debolmente e nessuna onda viaggerà fino all’altro estremo. Se qualcun altro prende l’altro estremo della corda e tira abbastanza da tenerla tesa, allora qualsiasi movimento noi facciamo compiere a un estremo si propagherà all’altro estremo. In effetti se la tensione cresce, in modo da mantenere la corda più tesa, le onde viaggeranno più velocemente lungo la corda.

Consideriamo ora la massa m della corda. Una corda pesante risponde lentamente a una data perturbazione, a causa della sua inerzia. Maggiore sarà la massa di una corda, minore è la velocità di propagazione di un’onda lungo di essa.


Naturalmente, la massa totale della corda non ha importanza; una cordicella lunga può avere una massa maggiore di una corta, ma le sue proprietà sono le stesse.

Ciò che importa è la massa per unità di lunghezza; chiamiamo questa grandezza densità lineare(u):

u = densità lineare(massa per unità di lunghezza)= m/L


Perciò ci aspettiamo che la velocità v cresca con la tensione F e diminuisca con la densità lineare u.



ONDE SONORE


Le onde sonore sono anche il tipo di onda più diffuso nel nostro mondo.





La prima cosa che facciamo tutti, quando nasciamo, è emettere un suono. Ma solo dopo molti anni comprendiamo che il suono è un’ onda che si propaga attraverso l’aria. Un utile modello meccanico delle onde sonore è rappresentato da una molla. Se facciamo oscillare un estremo della molla avanti e indietro orizzontalmente originiamo un’onda longitudinale che viaggia orizzontalmente. L’onda consiste di regioni nelle quali le spire della molla sono molto compresse e alternate con regioni nelle quali le spire sono molto più distanti tra loro. In analogia con l’esempio della molla, un altoparlante produce onde sonore facendo oscillare un diaframma avanti e indietro orizzontalmente. Proprio come con la molla l’onda si allontana orizzontalmente. L’onda è costituita da regioni compresse che si alternano con regioni rarefatte.

A prima vista, l’onda sonora sembra molto diversa dall’onda su una corda. In particolare l’onda sonora sembra non avere il tipico aspetto sinusoidale caratteristico di un’onda. Però se rappresentiamo graficamente le grandezze appropriate di un’onda sonora, il classico aspetto delle onde riemerge.

Proprio come per la velocità di propagazione di un’onda su una corda, la velocità di propagazione del suono è determinata dalle proprietà del mezzo attraverso cui s propaga. Nell’aria, in condizione di pressione atmosferica e temperatura normali, la velocità di propagazione del suono è approssimativamente:

v = 343m/s (m/s intendiamo metri al secondo)


Applicando la teoria cinetica dei gas(è la teoria che spiega le proprietà macroscopiche dei gas partendo dalla considerazione della loro composizione a livello molecolare.), la velocità di propagazione del suono è direttamente collegata alla velocità delle molecole. Per esempio le molecole che colpiscono in questo momento il nostro corpo hanno uguale velocità di propagazione rispetto alla velocità di propagazione di un suono.

Se l’aria viene riscaldata le molecole si muovono più velocemente e quindi la velocità di propagazione del suono aumenta con la temperatura. In un solido la velocità di propagazione del suono è determinata in parte dalla rigidità del materiale. Più il materiale è rigido maggiore sarà la velocità di propagazione del suono, proprio come una maggiore tensione in una corda causa un’onda più veloce. Perciò la velocità di propagazione del suono nella plastica è maggiore(2680m/s) e nell’acciaio è ancora più grande(5960m/s).

Entrambe le velocità sono maggiori rispetto a quelle dell’aria che è un materiale più “molle”.

La tabella qui sotto fornisce la velocità di propagazione del suono in alcuni materiali:


La frequenza di un’onda sonora


Quando udiamo un suono la sua frequenza fa su di noi un grande effetto; infatti la frequenza determina il tono di un suono. Per esempio i tasti di un pianoforte producono suoni con frequenze che vanno da 55Hz per il primo tasto sulla sinistra ai 41887Hz per l’ultimo tasto sulla destra. Analogamente quando canticchiamo una canzone modifichiamo l’aspetto e le dimensioni delle nostre corde vocali per cambiare la frequenza del suono che esse producono.

L’intervallo di frequenze udibili dall’orecchio umano si estende ben oltre quello di un pianoforte. Gli essere umani possono udire suoni con frequenze maggiori comprese tra 20Hz e 20000Hz. Suoni con frequenze superiori sono detti ultrasuoni,mentre quelli con frequenze minori sono detti infrasuoni.

Sebbene noi non possiamo udire gli ultrasuoni e gli infrasuoni, suoni con queste frequenze si presentano spesso in natura e vengono utilizzati in molte applicazioni tecnologiche. In natura vi sono varie specie di animali che utilizzano infrasuoni e ultrasuoni ad esempio il pipistrello per comunicare utilizza gli ultrasuoni.

La velocità di propagazione del suono è uguale per qualsiasi frequenza.




Intensità del suono


Il rumore provocato da un martello pneumatico è maggiore rispetto a quello provocato da un passerotto. Tutto ciò si può dimostrare fisicamente con il concetto di intensità.

L’intensità è la quantità di energia che passa attraverso una data area in un definito intervallo di tempo. L’intensità inoltre determina il volume di un suono. Se una quantità di energia E passa attraverso una determinata area A in un tempo t , l’intensità I di un’onda che trasporta l’energia è :


I = E/ A t


Ricordando che la potenza è data dal rapporto fra l’energia e il tempo in cui vieni sviluppato, P = E/t, possiamo esprimere l’ intensità come segue:


I =P/A

Sebbene abbiamo introdotto il concetto di intensità riguardo al suono, esso vale per tutti i tipi di onde.

Quando ascoltiamo una sorgente sonora , come una persona che parla o una radio che trasmette una canzone, notiamo che il volume del suono diminuisce a mano a mano che ci allontaniamo dalla sorgente. Questo significa che anche l’intensità del suono sta diminuendo, perché a mano a mano che ci si allontana, l’energia emessa dalla sorgente si distribuisce su un‘area maggiore.


Percezione umana del suono


L’udito, come per la maggior parte dei nostri sensi, è incredibilmente versatile e sensibile. Possiamo percepire suoni che sono circa un milione di volte più fievoli, di una normale conversazione e ascoltare suoni che sono un milione di volte più forti, prima di sentire dolore. Inoltre possiamo udire suoni in un intervallo di frequenza molto ampio che va da 20 a 20000Hz.

La nostra percezione del suono, quindi, è tale che un aumento uniforme del volume corrisponde a intensità che crescono per un fattore moltiplicativo.



EFFETTO DOPPLER


Uno dei fenomeni fisici più comuni che coinvolgono il suono è il cambiamento di tono del fischio di un treno o del clacson di un’automobile quando ci sorpassano. Questo cambiamento di tono, dovuto al moto relativo della sorgente del suono rispetto al ricevitore, viene chiamato effetto Doppler,dal nome del fisico austriaco Christian Doppler (1803-1853). Se ascoltiamo attentamente l’effetto Doppler, notiamo che il tono cresce quando la sorgente e l’osservatore si avvicinano, mentre diminuisce quando si allontanano. Uno degli aspetti più affascinanti dell’effetto Doppler è che vale per tutti i tipi di fenomeni ondulatori e non solo per il suono: anche per la frequenza della luce viene spostata per effetto Doppler quando c’è un moto relativo fra la sorgente e il ricevitore. Per la luce, questo cambiamento di frequenza appare come cambiamento di colore. In effetti, la maggior parte delle galassie lontane mostra il colore della propria luce spostato verso il rosso, e ciò significa che si stanno allontanando da noi. Alcune galassie, invece, si muovono verso di noi e mostrano uno spostamento della loro luce verso il blu.

L’effetto Doppler viene utilizzato in una grande varietà di applicazioni tecnologiche. Forse una delle più conosciute è la pistola radar, che vieni utilizzata per misurare la velocità di un’automobile che infrange il limite di velocità (anche se la pistola radar utilizza onde radio e non onde sonore, il principio fisico sul quale si basa è lo stesso)




ONDE RADIO



Le onde radio o radioonde sono le radiazioni elettromagnetiche di frequenza minore, compresa tra zero e 300 GHz, ovvero lunghezza d'onda da 1 mm all'infinito. Il limite di frequenza inferiore è necessariamente asintotico, poiché per definizione non possono esistere onde elettromagnetiche senza variazione di campo. La quantità di informazione che può essere trasportata da un segnale radio è proporzionale alla sua frequenza, per questo le frequenze minime usate nella radiotecnica per trasmettere la voce partono da qualche decina di kilohertz.
Sebbene questa regione dello spettro elettromagnetico sia di piccole dimensioni rispetto alle altre (ultravioletto, infrarosso, Raggi X ecc) è storicamente la più utilizzata per le comunicazioni radio. Questo è avvenuto principalmente perché le onde di bassa frequenza sono facilmente generabili con dispositivi elettrici alla portata della fisica della fine del XIX secolo (oscillatori, antenne, rivelatori a risonanza) Un altro vantaggio delle maggiori lunghezze d'onda è di propagarsi per riflessione ionosferica a distanze intercontinentali, sicuramente interessante in un'epoca in cui non esistevano ponti radio e satelliti per telecomunicazione.Le frequenze ultrabasse sono usate per la comunicazione con i sottomarini poiché l'acqua attenua le onde elettromagnetiche in ragione proporzionale alla frequenza, con un coefficiente elevato. Soltanto frequenze bassissime riescono a propagarsi per centinaia di chilometri, ma con la necessità di enormi antenne, costituite da fili immersi lunghi diverse decine di chilometri. Con queste onde è possibile inoltre trasportare pochissima informazione, messaggi scanditi lentamente, certamente non la voce.

Sovrapposizione e interferenza


Fin qui abbiamo preso in considerazione solo una singola onda alla volta.

Sovrapposizione

La combinazione di due o più onde, che formano un’onda risultante, viene chiamata sovrapposizione. Quando le onde di piccola ampiezza, si sovrappongono nel modo più semplice: si sommano. Per studiare come funziona la sovrapposizione al variare del tempo, prendiamo in esame una corda su cui viaggiano due impulsi, ognuno in una direzione. Quando i due impulsi arrivano nello stesso punto, si sommano.

Interferenza

Quando gli impulsi d’onda su una corda si combinano, ne risulta un impulso che ha l’ampiezza uguale alla somma delle ampiezze dei singoli impulsi. Questa situazione viene chiamata interferenza costruttiva.

Quando invece allo spostamento positivo di un’onda si somma lo spostamento negativo dell’altra per creare uno spostamento risultante uguale a zero, gli impulsi momentaneamente si cancellano l’un l’altro. Questa è l’interferenza distruttiva.





Onde stazionarie

Quando pizzichiamo la corda di una chitarra o soffiamo all’apertura di una bottiglia per fare un fischio, diamo origine ad onde stazionarie. Un’onda stazionaria oscilla nel tempo, ma rimane ferma nella sua posizione. In questo senso l’onda viene chiamata “stazionaria”.





Lavoro sviluppato dai seguenti studenti della 4G del Liceo Scientifico Statale “Leonardo da Vinci” di Reggio Calabria :


Domenico Cuzzocrea

Giovanni Santoro

Pietro Gatto

Lucrezia Ranieri

Federica Pucinotti

Giada Matacena

Umberto Venezia

Andrea Priolo

Francesco Orsa

Raffaele Bova

Vincenzo Romeo.