Le onde sono perturbazioni che viaggiano nello spazio trasportando energia ma non materia: il suono è un esempio di onda meccanica che attraversa i mezzi grazie alle vibrazioni delle particelle.
Quando lanciamo un sasso in uno stagno, sulla superficie dell'acqua si formano dei cerchi che si allargano verso l'esterno: ciò che si propaga è la perturbazione, mentre l'acqua si limita a oscillare verticalmente senza spostarsi davvero. Questo fenomeno illustra il concetto fondamentale di onda, ossia una vibrazione che trasferisce energia da un punto a un altro senza trasporto netto di materia. Lo studio delle onde è cruciale perché molti fenomeni naturali, dal suono alla luce, dalle onde sismiche fino alle onde radio, condividono le stesse leggi matematiche. In questa unità ci concentreremo sulle onde meccaniche e in particolare sul suono, che richiede sempre un mezzo elastico per propagarsi.
Caratteristiche e tipi di onde
Ogni onda periodica può essere descritta attraverso alcune grandezze fisiche fondamentali che ne definiscono completamente il comportamento. L'ampiezza indica il massimo spostamento delle particelle dalla posizione di equilibrio ed è legata all'energia trasportata: un'onda con ampiezza doppia trasporta un'energia quattro volte maggiore. La lunghezza d'onda, indicata con la lettera greca lambda, rappresenta la distanza tra due creste consecutive oppure tra due punti che oscillano nello stesso modo. Il periodo T è il tempo necessario perché un punto del mezzo compia un'oscillazione completa, mentre la frequenza f esprime quante oscillazioni avvengono in un secondo e si misura in hertz. Tra queste grandezze vale la relazione fondamentale v = lambda · f, che lega la velocità di propagazione alla lunghezza d'onda e alla frequenza dell'oscillazione sorgente.
Le onde si distinguono anche in base alla direzione di vibrazione delle particelle rispetto alla direzione di propagazione dell'onda stessa. Nelle onde trasversali le particelle oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione, come accade in una corda di chitarra tesa che vibra verso l'alto e verso il basso mentre l'onda corre orizzontalmente lungo la corda. Nelle onde longitudinali, invece, le particelle vibrano nella stessa direzione in cui viaggia l'onda, creando zone alternate di compressione e rarefazione del mezzo. Un esempio classico è la molla Slinky che, compressa a un'estremità, trasmette l'impulso facendo oscillare le spire avanti e indietro lungo l'asse. Esistono inoltre onde miste, come quelle marine in profondità ridotta, in cui le particelle d'acqua descrivono traiettorie circolari combinando entrambi i moti.
Il suono e i suoi fenomeni
Il suono è un'onda meccanica longitudinale prodotta dalla vibrazione di un corpo elastico, che si propaga generando compressioni e rarefazioni successive nel mezzo circostante. Per questa ragione il suono non può viaggiare nel vuoto, fatto verificabile osservando che una sveglia posta sotto una campana da cui si estragga l'aria diventa progressivamente impercettibile. La velocità del suono dipende fortemente dal mezzo attraversato: nell'aria a venti gradi celsius vale circa 343 metri al secondo, mentre nell'acqua sale a circa 1480 metri al secondo e nell'acciaio raggiunge i 5000 metri al secondo. In generale i mezzi più densi e rigidi trasmettono il suono più rapidamente, perché le interazioni tra le particelle sono più intense ed efficaci nel propagare la perturbazione.
Due caratteristiche soggettive permettono di distinguere i suoni che percepiamo: l'altezza dipende dalla frequenza dell'onda e ci permette di distinguere i suoni acuti dai suoni gravi, mentre l'intensità è legata all'ampiezza e determina se un suono ci appare forte o debole. L'orecchio umano percepisce frequenze comprese tra circa 20 hertz e 20000 hertz, oltre le quali parliamo rispettivamente di infrasuoni e ultrasuoni, questi ultimi sfruttati ad esempio nelle ecografie mediche. Tra i fenomeni caratteristici del suono ricordiamo l'eco, che si verifica quando un'onda sonora viene riflessa da un ostacolo e torna all'osservatore dopo un tempo sufficiente a distinguerla dal suono originale, ossia almeno un decimo di secondo. Vi è poi l'effetto Doppler, ovvero la variazione apparente di frequenza percepita quando sorgente e osservatore sono in moto relativo: lo udiamo chiaramente nella sirena di un'ambulanza che, avvicinandosi, suona più acuta e, allontanandosi, più grave. Infine il fenomeno della risonanza si manifesta quando un corpo viene fatto vibrare alla sua frequenza propria da un'onda esterna, amplificando in modo notevole l'oscillazione, come avviene nella cassa armonica di una chitarra.
Ricorda
- Un'onda trasporta energia ma non materia ed è descritta da ampiezza, lunghezza d'onda, periodo e frequenza, legati dalla relazione v = lambda · f.
- Le onde si dividono in trasversali (vibrazione perpendicolare alla propagazione) e longitudinali (vibrazione parallela), e il suono appartiene a quest'ultima categoria.
- Il suono richiede un mezzo materiale per propagarsi, ha velocità diversa in mezzi diversi e mostra fenomeni come eco, effetto Doppler e risonanza.
- Esercizio attivo sul quaderno: una corda di violino vibra producendo un suono con frequenza di 440 Hz; sapendo che la velocità del suono nell'aria è 340 m/s, calcola la lunghezza d'onda corrispondente. Poi prova a immaginare cosa cambierebbe se la stessa nota fosse suonata sott'acqua, dove la velocità è di 1480 m/s: la frequenza percepita resta la stessa, ma cambia la lunghezza d'onda. Calcola anche questo nuovo valore e annota le tue osservazioni.