Fenomeni ondulatori

Onde e corpuscoli

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Immaginiamo una grande stanza affollata: una persona A si trova in un angolo della stanza e deve comunicare qualcosa ad una persona B che si trova all'angolo opposto. Esistono sostanzialmente 2 modi affinchè l'informazione si possa trasmettere da A a B. In quale caso si ha propagazione dell'informazione senza movimento di masse?
  1. A si sposta dalla sua posizione fino a quella di B e comunica.
  2. A "passa voce" ai suoi vicini, pregandoli di fare lo stesso con altri vicini fino a raggiungere B.

Nel primo caso la persona si muove con l'informazione da A a B, nel secondo caso le persone della stanza si muovono appena, mentre solo l'informazione si trasmette da A a B. Possiamo dire che la trasmissione di informazione (o di energia) da un punto ad un altro dello spazio fisico avviene in due modi fondamentali che possono essere descritti in analogia con questi modelli:

  1. MODELLO CORPUSCOLARE: l'energia si propaga mediante lo spostamento di corpi o particelle materiali: possiamo pensare ad un'automobile in moto, a un oggetto che cade, all'aria calda che sale per convezione a causa dello spostamento di particelle per la variazione di densità, al passaggio di corrente elettrica.
  2. MODELLO ONDULATORIO: l'energia si trasmette senza che le particelle del mezzo si muovano apprezzabilmente dalla loro posizione: tipici esempi di fenomeni ondulatori sono la propagazione del suono, delle onde sismiche, delle onde sull'acqua o su una corda.
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La ola è un classico esempio di trasmissione ondulatoria: ogni impulso passa da una persona a quella immediatamente vicina e giunge fino alla fine della catena senza spostamento delle persone.

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Pendoli di Newton: Il dispositivo è composto da biglie in acciaio sospese mediante due fili in modo da mantenere il contatto tra di esse. Se si solleva e si lascia andare la prima biglia della catena, essa trasmette l'impulso, attraverso tutte le biglie, fino all'ultima che si solleva. L'energia quindi si trasmette solo mediante piccole vibrazioni dei corpi che costituiscono la catena.

Qui ci occuperemo soprattutto di onde meccaniche che presuppongono l'esistenza di un mezzo di propagazione composto da particelle che trasmettano la perturbazione oscillando o vibrando.

Qual è il mezzo di propagazione, per ognuna di queste onde meccaniche?

Il mezzo di propagazione della "ola" sono le persone, per i pendoli di Newton il mezzo è costituito dalle biglie. Per le onde che si propagano su una corda il mezzo è naturalmente la corda, per le onde del mare è l'acqua. Le onde sonore possono trasmettersi in ogni mezzo solido, liquido o gassoso (non nel vuoto) e infine le onde sismiche si trasmettono attraverso le rocce o l'acqua.

La velocità di propagazione delle onde è riferita al mezzo in cui esse viaggiano e dipende dalle caratteristiche fisiche di esso. Il suono, per esempio, viaggia alla velocità di 343 m/s nell'aria in condizioni standard di temperatura e pressione, ma giunge fino alla velocità di 6000 m/s nel granito.

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Le onde elettromagnetiche, diversamente da quelle meccaniche, si trasmettono anche attraverso lo spazio vuoto ad una velocità enormemente più elevata. Nel vuoto la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche è c = 3 108 m/s

Questa velocità, nota a tutti come velocità della luce, riveste una importanza fondamentale nella fisica moderna in quanto è un limite superiore non raggiungibile da nessun corpo dotato di massa. La teoria della relatività di Einstein si fonda sul postulato che la velocità della luce sia indipendente dal sistema di riferimento.

Oltre alla luce appartengono alla famiglia delle onde elettromagnetiche le onde radio, le microonde, gli infrarossi, gli ultravioletti, i raggi X e i raggi γ. Tutte queste onde si propagano mediante la vibrazione di campi elettrici e magnetici.

Infine le onde di materia sono associate, nell'ambito della fisica quantistica, a particelle di materia (elettroni, protoni, neutroni..). Vedremo che questo fatto rappresenta uno dei punti caratteristici della fisica moderna, in cui i confini tra i modelli corpuscolare e ondulatorio diventano sfumati portando ad una serie di implicazioni e speculazioni filosofiche sulla natura della realtà.

Anche se la natura delle onde meccaniche, elettromagnetiche e di materia è affatto diversa, tuttavia le proprietà ed i fenomeni ondulatori sono gli stessi, così che è possibile studiare in modo unitario le caratteristiche della propagazione ondulatoria.


Copyleft Ludovica Battista