Le onde sono perturbazioni che si propagano nello spazio e nel tempo, trasportando energia ma non materia. Suono e luce sono entrambi onde, anche se molto diverse.
Caratteristiche di un'onda
- Ampiezza (A): l'altezza massima dell'onda. Determina l'intensità (volume per il suono, luminosità per la luce).
- Lunghezza d'onda (λ): distanza fra due creste consecutive.
- Frequenza (f): numero di oscillazioni al secondo, misurata in hertz (Hz).
- Periodo (T): tempo di una oscillazione completa. T = 1/f.
- Velocità (v): a che velocità si propaga l'onda. v = λf.
Onde meccaniche (es. il suono)
Le onde meccaniche hanno bisogno di un mezzo materiale per propagarsi (aria, acqua, solidi).
Il suono
- Nasce dalla vibrazione di un oggetto (corda di chitarra, voce, altoparlante).
- Si propaga nell'aria a circa 340 m/s.
- Nell'acqua è più veloce (~1500 m/s).
- Nei solidi ancora più veloce (acciaio: ~5000 m/s).
- Non si propaga nel vuoto (nello spazio non c'è suono!).
Frequenze udibili
L'orecchio umano sente da 20 Hz (suoni gravissimi) a 20.000 Hz (suoni acutissimi).
- Infrasuoni (sotto 20 Hz): non li sentiamo (elefanti, balene li usano).
- Ultrasuoni (sopra 20 kHz): non li sentiamo (cani, pipistrelli sì; ecografie mediche).
Onde elettromagnetiche (es. la luce)
Le onde elettromagnetiche non hanno bisogno di un mezzo: si propagano anche nel vuoto. Sono prodotte da campi elettrici e magnetici oscillanti.
Velocità nel vuoto: c = 299.792 km/s (la velocità della luce, costante universale).
Lo spettro elettromagnetico
A seconda della frequenza/lunghezza d'onda:
- Onde radio (km): radio, TV, telefoni.
- Microonde (cm): forno a microonde, Wi-Fi, GPS.
- Infrarossi (mm-μm): telecomandi, calore.
- Luce visibile (380-780 nm): tutti i colori che vediamo (rosso lunga λ, viola corta λ).
- Ultravioletti (nm): scottature solari.
- Raggi X: per radiografie.
- Raggi gamma: dalle stelle e processi nucleari.
Fenomeni delle onde
Riflessione
Un'onda che incontra un ostacolo torna indietro: eco (suono), specchio (luce).
Rifrazione
Un'onda che passa da un mezzo all'altro cambia direzione e velocità. Per questo una matita immersa nell'acqua sembra spezzata.
Diffrazione
Un'onda che incontra un ostacolo o una fessura si piega e si espande. Per questo senti la voce anche da dietro l'angolo.
Interferenza
Due onde che si incontrano si sommano: possono rinforzarsi (costruttiva) o annullarsi (distruttiva). Da qui le frange di interferenza dell'esperimento di Young, prova che la luce è un'onda.
Effetto Doppler
La frequenza percepita cambia con il movimento della sorgente. Per questo l'ambulanza che si avvicina ha un suono più acuto, e quando si allontana più grave. Lo stesso effetto in astronomia: le galassie che si allontanano ('redshift') hanno luce più rossa.
Applicazioni
- Musica e radio: registrazione, trasmissione, riproduzione.
- Telecomunicazioni: telefoni mobili, satellite, fibra ottica.
- Medicina: ecografia (ultrasuoni), risonanza magnetica, raggi X.
- Astronomia: telescopi (luce, radio, X, gamma).
- Tecnologia: laser, GPS, Wi-Fi.