Fisica delle Onde: Proprietà, Tipi e Fenomeni Ondulatori Essenziali

Meccanica Ondulatoria: Concetti Fondamentali e Fenomeni

La meccanica delle onde è un processo collettivo che si manifesta attraverso il movimento delle singole particelle che costituiscono un mezzo.

Tipi di Onde

Le onde possono essere classificate in base alla direzione di vibrazione delle particelle del mezzo rispetto alla direzione di propagazione.

Onda Trasversale

Un'onda in cui le particelle del mezzo si spostano perpendicolarmente alla direzione di propagazione.

• Cresta: Il punto che mostra il massimo spostamento dalla posizione di equilibrio.
• Valle: Il punto che mostra il massimo spostamento negativo dalla posizione di equilibrio.

Onda Longitudinale

Un'onda in cui le particelle del mezzo si spostano in una direzione parallela alla direzione di propagazione.

• Compressione: Un punto del mezzo in cui l'onda longitudinale in propagazione ha la massima densità.
• Espansione: Un punto del mezzo in cui l'onda longitudinale in propagazione ha una densità minima.

Proprietà Fondamentali delle Onde

Ampiezza d'Onda (A)

Lo spostamento massimo di una particella del mezzo rispetto alla sua posizione di riposo (è la distanza dalla posizione di equilibrio al picco).

Lunghezza d'Onda (λ)

La lunghezza di un ciclo completo dell'onda.

λ = V / F

Frequenza d'Onda (F)

Il tasso al quale le particelle del mezzo vibrano quando un'onda passa nel mezzo (numero di cicli completi delle vibrazioni di un mezzo in un'unità di tempo, il secondo). La sorgente è ciò che determina la frequenza dell'onda.

F = 1 / T

Periodo d'Onda (T)

Intervallo di tempo in cui una particella del mezzo compie un ciclo completo delle vibrazioni.

T = 1 / F

Velocità d'Onda (V)

La velocità con cui il disturbo si muove e corrisponde alla velocità con cui si muovono le creste. Da non confondere con la velocità delle particelle del mezzo. Mentre la frequenza dipende dalla sorgente dell'onda, la velocità dipende solo dal mezzo in cui si propaga, influenzando di conseguenza la lunghezza d'onda.

V = λ / T

V = λ x F

Velocità di Propagazione delle Onde

La velocità di un'onda dipende dalle proprietà del mezzo in cui si diffonde. Le onde hanno bisogno di un mezzo materiale per propagarsi: solido, liquido o gas.

Velocità del Suono nei Gas

La velocità del suono nei gas dipende dalla pressione e dalla temperatura. All'aumentare della pressione e della temperatura, aumenta l'agitazione delle molecole, il che aumenta la velocità di propagazione del suono.

Velocità del Suono nei Solidi

La velocità del suono nei solidi è maggiore rispetto a quella nei liquidi e nei gas, perché le molecole sono più vicine tra loro in un solido rispetto a liquidi e gas, e di conseguenza reagiscono più rapidamente alla propagazione del disturbo. La velocità del suono in un solido dipende dalla densità ed elasticità.

L'elasticità è la capacità di un materiale di cambiare forma a seguito dell'applicazione di una forza e di riacquistare la sua forma originale quando la forza scompare. Es: l'acciaio è un materiale elastico; al contrario, l'argilla è inelastica, poiché una volta deformata non torna alla sua forma originale.

Tabella Velocità del Suono in Diversi Mezzi

Il Suono

Il suono è un'onda meccanica longitudinale.

Caratteristiche del Suono

Altezza o Tono

Questa caratteristica è legata alla frequenza dell'onda sonora. I suoni possono essere suddivisi in bassi e alti. I suoni con frequenza più elevata hanno una tonalità maggiore. L'orecchio umano percepisce i suoni le cui frequenze sono comprese tra 20 Hz e 20000 Hz.

Timbro

Questa funzione è legata alla forma dell'onda sonora. Ci permette di distinguere tra due sorgenti sonore anche quando entrambe producono suoni con lo stesso tono/altezza e intensità.

Intensità

Questa è legata all'ampiezza dell'onda. Possiamo distinguere tra suoni forti e deboli. L'intensità è proporzionale al quadrato dell'ampiezza dell'onda sonora risultante dalla vibrazione di un corpo. Una grandezza fisica relativa al modo in cui l'orecchio umano percepisce le differenze di volume è il decibel (dB).

Livelli Sonori e Conseguenze

Fenomeni Ondulatori

Rifrazione

Quando un'onda attraversa il confine e viene trasmessa in un altro mezzo con caratteristiche diverse, la velocità dell'onda cambia il suo valore e può essere accompagnata o meno da un cambiamento nella direzione di propagazione.

Esempio: quando le onde in acque profonde passano a diverse profondità (la differenza di profondità fa sì che l'acqua si comporti come mezzi diversi):

1. Fronte d'onda piano incidente perpendicolarmente al confine tra due diverse profondità.
2. Rifrazione di un fronte d'onda piano incidente obliquamente al confine tra diverse profondità.

Riflessione

Quando un'onda raggiunge il confine tra due mezzi, una parte dell'onda o tutta, rimbalza indietro nel mezzo da cui proviene.

Es: se una molla è attaccata a un muro ed emette un impulso, il muro è molto rigido rispetto alla molla, quindi tutta l'energia viene riflessa dalla molla invece di essere trasmessa attraverso il muro.

Interferenza

Due onde possono occupare lo stesso posto nello spazio. Esse non trasportano materia, ma energia. Quando due o più onde sono nella stessa regione di un mezzo, possono passare l'una attraverso l'altra e continuare il loro percorso senza alterazioni.

Es: Se si lanciano due pietre in acqua, si formano onde circolari che si sovrappongono. Se la cresta di un'onda si sovrappone alla cresta di un'altra, gli effetti di entrambi sono sommati (interferenza costruttiva). Se invece la cresta di un'onda si sovrappone alla valle di un'altra onda, i suoi effetti sono ridotti (interferenza distruttiva).

Diffrazione

Quando le onde raggiungono i bordi di ostacoli o passano attraverso fessure o aperture, si piegano e possono raggiungere punti che si trovano dietro gli ostacoli o le fessure. Essa si verifica quando la lunghezza d'onda è paragonabile alle dimensioni dell'oggetto e le onde aggirano l'oggetto.

Anche le onde sonore subiscono diffrazione. La diffrazione è evidente quando la lunghezza d'onda è paragonabile o maggiore della dimensione di un'apertura (es. una porta) o dei bordi di un ostacolo. Grazie alla diffrazione, le onde raggiungono regioni che non si trovano sul loro percorso diretto. La diffrazione permette che il suono possa essere ascoltato da diverse angolazioni dietro un ostacolo.

Polarizzazione

Si verifica quando un'onda trasversale si propaga in un unico piano di vibrazione.

• Onda polarizzata verticalmente: Si verifica, ad esempio, se leghiamo una corda in modo che un'estremità sia fissa e teniamo l'altra estremità in orizzontale, facendola oscillare su e giù. Si diffonde così un'onda trasversale, in cui i diversi punti della corda, disturbati, si spostano verticalmente rispetto alla loro posizione di equilibrio, poiché la perturbazione si propaga lungo la corda e le vibrazioni avvengono in una sola direzione (verticale).
• Onda polarizzata orizzontalmente: Se, ad esempio, l'estremità libera della corda si muove orizzontalmente, la perturbazione farà sì che i punti della corda si muovano orizzontalmente da un lato all'altro.

Effetto Doppler

Variazione della frequenza apparente di un'onda dovuta al moto relativo tra la sorgente e il ricevitore.

Esempi di applicazione:

• Il radar della polizia per misurare la velocità dei veicoli.
• Il sonar delle barche da pesca per rilevare banchi di pesci.
• Per misurare la velocità relativa delle stelle.

Risonanza

Si verifica quando a un oggetto vibrante vengono applicati impulsi successivi la cui frequenza corrisponde alla frequenza naturale di vibrazione dell'oggetto, in modo che l'ampiezza delle vibrazioni dell'oggetto aumenta in modo significativo.