Fenomeni ondulatori

Onde trasversali e longitudinali

La sorgente o l'origine di una perturbazione ondulatoria di tipo meccanico è sempre un corpo che si muove di moto oscillatorio (per esempio di moto armonico semplice). Se esso non si trova nello spazio vuoto, trasmetterà impulsi alle particelle del mezzo che saranno posti in vibrazione anche essi. L'onda pertanto si propaga nello spazio circostante.

alcune onde meccanichepossibili sorgenti
onde su una cordaUna corda può essere messa in moto agitando un capo con la mano o mediante un motore: la perturbazione si trasmette da un capo all'altro della corda.
onde del mareLe onde sul mare possono essere provocate dal vento o dal passaggio di un'imbarcazione e si trasmettono a grandi distanze sulla superficie dell'acqua.
suono di una chitarra o un violinoVibrazione delle corde.
acuto di un sopranoVibrazione delle cosiddette corde vocali
onde sismicheMovimenti interni locali della crosta terrestre che si trasmettono ad altri strati di essa, all'acqua ed all'aria.

Consideriamo per esempio la corda di una chitarra posta in vibrazione: le particelle d'aria vicine alla corda, sollecitate da essa, vibrano con la stessa frequenza della corda e trasmettono a loro volta la vibrazione alle particelle vicine; in questo modo la perturbazione originata dalla corda vibrante riesce a raggiungere distanze molto grandi. Possiamo dire che la corda vibrante costituisce la sorgente di un'onda meccanica che si propaga nell'aria e che l'energia cinetica e potenziale elastica della corda viene trasmessa come energia cinetica ed elastica del mezzo. Quando una molecola del mezzo, che si trova ad una certa distanza dalla sorgente, viene raggiunta dalla perturbazione, essa comincia a vibrare con la stessa frequenza della sorgente intorno ad un punto di equilibrio. Poichè tutte le particelle investite dall'onda oscillano con la stessa frequenza, si può parlare di frequenza dell'onda. Come si sa, la frequenza è il numero di oscillazioni compiute nell'unità di tempo ed ha dimensione fisica dell'inverso di un tempo. Nel Sistema Internazionale, la frequenza si misura in hertz (Hz). La frequenza f è l'inverso del periodo T, che è il tempo impiegato per una oscillazione completa: f = 1 / T

Se il moto oscillatorio è un moto armonico semplice, dobbiamo ricordare anche la pulsazione o frequenza angolare ω direttamente proporzionale alla frequenza e quindi inversamente proporzionale al periodo: ω = 2 π f = 2 π / T

Mentre le particelle del mezzo si muovono in uno spazio molto limitato, la perturbazione (e l'energia ad essa associata) si trasmette anche a grandi distanze. La velocità con cui l'onda meccanica si propaga in ogni direzione dipende dalle caratteristiche fisiche del mezzo ed in particolare dalla sua elasticità e dalla sua inerzia. Un mezzo materiale deve quindi essere elastico, cioè essere in grado di deformarsi e ritornare rapidamente nella configurazione originale: tanto maggiore è la forza di richiamo che agisce sulle particelle, tanto più velocemente si trasmette la perturbazione. Anche la massa inerziale delle particelle del mezzo contribuisce alla propagazione: particelle di massa elevata oppongono maggiore inerzia o resistenza ai cambiamenti e rallentano quindi la propagazione dell'energia.

In una corda molto lunga (rispetto all'ampiezza di vibrazione delle particelle) la velocità di propagazione di un'onda è determinata dalla tensione F della corda e dalla densità lineare m / L (massa/lunghezza) secondo la legge: v = (F L / m)1/2

Dimostra la correttezza dimensionale di questa legge.

Si chiama direzione o raggio di propagazione qualsiasi semiretta che va dalla sorgente ad un altro punto investito dall'onda.

ola (16K)

Se le particelle del mezzo vibrano perpendicolarmente al raggio di propagazione, si parla di onde trasversali. In un'onda trasversale il raggio di propagazione e la direzione del moto delle molecole individuano un piano di vibrazione o di polarizzazione. Se esso rimane fisso, senza ruotare, si parla di onda polarizzata. La ola è un'onda trasversale polarizzata: le persone che costituiscono il mezzo di trasmissione si muovono perpendicolarmente (e sempre nella stessa direzione) rispetto alla propagazione dell'onda.

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Anche le onde elettromagnetiche, compresa la luce, sono trasversali perché costituite da campi elettrici e magnetici che vibrano perpendicolarmente rispetto al raggio di propagazione. Anche la luce può essere polarizzata.

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Se le particelle raggiunte dalla perturbazione vibrano nella stessa direzione di propagazione dell'onda si parla di onde longitudinali.

Le onde sonore sono onde longitudinali: esse si propagano, a partire dalla sorgente, in tutte le direzioni dello spazio tridimensionale e, per ogni direzione, le molecole investite dall'onda vibrano lungo il raggio di propagazione, provocando fasi alternate di compressione (alta densità e pressione) e di rarefazione (bassa densità e pressione) del mezzo.

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In un'onda longitudinale non viene individuato alcun piano di vibrazione quindi queste onde non possono essere polarizzate.

Al Museo del Balì (Saltara, Pesaro) è possibile provocare delle onde su una gigantesca molla elicoidale appesa orizzontalmente in una stanza, facendone oscillare una estremità. Se si muove il capo libero della molla nella direzione della sua lunghezza, si provoca un impulso o un treno di onde longitudinali in cui ogni spira della molla oscilla lungo la direzione di propagazione. Se si muove il capo libero della grande molla dall'alto verso il basso, si provoca invece un impulso o un treno di onde trasversali: ogni spira della molla vibra perpendicolarmente alla lunghezza della molla.


Copyleft Ludovica Battista