LA NATURA DELLE ONDE
Come si è già detto nei capitoli dedicati alla materia e all'atomo, le molecole di tutte le sostanze sono costituite da atomi e questi sono uniti gli uni agli altri tramite legami più o meno forti a seconda del loro stato di aggregazione (solido, liquido o gassoso).Per meglio capire cos'è il movimento ondulatorio, proviamo ad immaginare un atomo all'interno di una struttura cristallina (e quindi solida); se per opera di un agente esterno modifichiamo il suo stato di quiete, esso, a causa dei legami che lo trattengono, tenderà a ritornare al suo posto. Ma per opera della forza di inerzia, durante il ritorno, si allontanerà di nuovo dalla sua posizione all'interno del reticolo.
In poche parole, l'atomo eccitato vibra attorno alla sua posizione; tale movimento vibratorio si trasmetterà agli atomi adiacenti e così via, fino a che tutti saranno sottoposti a vibrazione. La perturbazione dello stato di quiete di un solo atomo si è propagata agli altri atomi con moto ondulatorio. Il risultato di questo movimento di onde in sostanza è un trasferimento di energia da un punto all'altro senza trasporto della sostanza stessa.
Sulla base dell'esperienza appena descritta, possiamo dire che le onde sono quei fenomeni fisici che hanno una propagazione nello spazio, unito ad un trasporto di energia.
In natura esistono numerosi tipi di vibrazioni, fra cui quelle soniche (o sonore), quelle elettromagnetiche (alle quali sono dovuti i fenomeni luminosi e le onde radio), quelle meccaniche, ecc. Le vibrazioni inoltre possono essere di vario tipo: libere, persistenti, smorzate, circolari, rettilinee, longitudinali, trasversali e così via.
Fra i movimenti ondulatori che ci sono più familiari, possiamo citare ad esempio le onde marine.
Se osserviamo un sughero galleggiante mentre passa un'onda, ci accorgiamo che non viene trascinato dall'acqua; ciò avviene perché le molecole d'acqua della superficie non si spostano orizzontalmente, ma vibrano dall'alto verso il basso lentamente intorno ad una posizione di equilibrio (e il sughero con esse).
Questo tipo d'onda è detto trasversale perché la perturbazione (il movimento oscillatorio delle molecole d'acqua della superficie) è ad angolo retto rispetto alla direzione di propagazione dell'onda. Tutte le molecole d'acqua che si muovono in sincronismo tra loro formano il fronte d'onda.
Le onde sonore costituiscono un altro esempio abbastanza familiare: il mezzo in cui un suono si propaga, si comprime e si rarefà periodicamente poiché il percorso oscillatorio delle molecole ha la stessa direzione dell'onda. Queste variazioni di densità nell'ambiente possono essere così percepite dal nostro organo uditivo. Un'onda sonora è del tipo longitudinale.
Quando la causa che produce una perturbazione si ripete ad intervalli regolari, essa dà luogo ad un treno d'onde. Per esempio, se gettiamo in uno stagno dei sassi, uno dopo l'altro e nello stesso punto, produciamo un treno di onde trasversali che si propagano concentricamente; il flusso oscillante di elettroni in un conduttore è ancora un esempio di un treno d'onde. Tra le facce di un condensatore, ai cui capi sia applicata una corrente alternata, oscillano cariche elettriche che producono a loro volta campi magnetici oscillanti che si propagano nello spazio sotto forma di onde (onde elettromagnetiche).
Ogni onda può essere descritta matematicamente e la funzione associata ad una particolare onda si chiama appunto funzione d'onda. Per descrivere un'onda bisogna comunque individuare delle caratteristiche misurabili. Consideriamo, per semplicità, un'onda di tipo trasversale, come quella marina; il punto più alto dell'onda viene detto cresta mentre quello più basso ventre; si definisce ampiezza dell'onda la distanza tra le due rette parallele tangenti una alla cresta e l'altra al ventre, mentre è detta lunghezza d'onda la distanza tra le creste o i ventri di due onde successive. Dal punto di vista fisico e a seconda del tipo di onda (acustica, elettromagnetica, meccanica ecc.), la forma e la lunghezza dell'onda descrivono una particolare caratteristica, mentre l'ampiezza corrisponde all'intensità del fenomeno ondulatorio: nel caso delle onde acustiche, per esempio, la forma determina il timbro del suono, la lunghezza del suono e l'ampiezza la forza del suono stesso.
Rappresentazione schematica della lunghezza d'ondaOsserviamo un treno d'onde viaggiare e prendiamo un punto di riferimento fisso sul cammino delle onde; perché una sola onda attraversi quel punto occorrerà un certo tempo, detto periodo, misurato in secondi. Possiamo anche contare il numero delle onde che attraversano il punto di riferimento scelto nell'unità di tempo, cioè misurare la frequenza dell'onda; la grandezza che si usa per la frequenza è l'Hertz (Hz), dal nome dello scienziato che scopri le onde elettromagnetiche: 1 Hz corrisponde al passaggio di una sola onda ogni secondo attraverso il punto di riferimento.
Periodo e frequenza sono due grandezze inversamente proporzionali, cioè al crescere del periodo diminuisce la frequenza e viceversa. La velocità di un'onda nello spazio si ricava moltiplicando la lunghezza dell'onda per la sua frequenza. La velocità di un'onda è anche influenzata dal mezzo (acqua, aria, vuoto per esempio) in cui essa viaggia. Un'onda sonora viaggia più velocemente nell'acqua e nei cristalli piuttosto che nell'aria; la luce e le altre radiazioni elettromagnetiche raggiungono la massima velocità nel vuoto mentre sono più lente nell'aria. Quando un'onda passa da un mezzo all'altro oltre che velocità cambia direzione: tale fenomeno prende il nome di rifrazione. Esistono superfici più o meno impermeabili a determinati tipi di onde, cioè che non si fanno attraversare da esse ma le respingono: questo effetto di rimbalzo dell'onda è detto riflessione. Effetti della riflessione e della rifrazione sono molto comuni e si possono osservare ogni giorno: gli specchi riflettono la luce: un cucchiaino immerso nell'acqua appare spezzato per effetto della rifrazione: il suggestivo fenomeno dell'eco sonora, che avviene in determinate condizioni, è dovuto alla riflessione delle onde acustiche; la forza sprigionatasi durante un evento tellurico (terremoto) può provocare distruzioni a migliaia di chilometri di distanza perché le onde sismiche viaggiano all'interno della terra e cambiano direzione, cioè vengono rifratte, quando incontrano strati di materia diversi.
I radar e i sonar si basano sul principio della riflessione delle micro-onde e degli ultrasuoni; le lenti ottiche sfruttano il principio della rifrazione.
Altri fenomeni ondulatori sono:
l'interferenza: addizione di onde sonore;
l'effetto Doppler: variazione della lunghezza d'onda in relazione alla velocità dell'osservatore rispetto alla sorgente o viceversa; quando per strada incontriamo un'autoambulanza che ci corre incontro a sirene spiegate abbiamo la chiara impressione che il suono diventi sempre più acuto, ma appena ci supera e si allontana il suono diventa più basso. Gli astronomi hanno osservato un simile comportamento anche per la luce e le radio-onde emesse da lontani corpi celesti, dimostrando che l'universo sta espandendosi;
la risonanza: esistono oggetti che, se colpiti da onde di un certo tipo con una certa lunghezza d'onda, iniziano ad oscillare (risuonare) e a produrre onde anch'essi. Le antenne degli apparecchi radio riescono a ricevere i segnali dall'etere per risonanza: le ance degli strumenti musicali a fiato e i bordoni di certi strumenti a corda indiani producono suoni per risonanza; le cavità degli apparati radar (magnetron e klystron) funzionano per risonanza, ecc.
La scoperta e la comprensione dei fenomeni ondulatori ha permesso all'uomo di costruire sofisticati apparecchi per misurare, comunicare, esplorare l'universo.
Le onde elettromagneticheIL SUONO
Il suono consiste nella trasmissione attraverso un mezzo materiale (aeriforme, liquido o solido) delle vibrazioni comunicate al mezzo medesimo da una sorgente sonora a sua volta in vibrazione. Condizione perché tale fenomeno vibratorio produca nell'uomo la sensazione sonora è che la frequenza delle vibrazioni suddette non sia inferiore a circa 16 Hz e non superiore a circa 20.000 Hz: al disotto di 16 Hz si hanno i cosiddetti infrasuoni; al disopra di 20.000 Hz si hanno gli ultrasuoni. La presenza di un mezzo materiale è indispensabile per la propagazione di un suono a differenza di ciò che si verifica per la luce. Data una sorgente sonora puntiforme per effetto del suo moto vibratorio, si determina, intorno ad essa, una successione di stati di rarefazione e di compressione dell'aria circostante. La perturbazione costituita da questo alternarsi di rarefazioni e compressioni si va concentricamente allargando intorno alla sorgente lungo la direzione di propagazione o raggio sonoro.La perturbazione si propaga lungo ogni direzione con una velocità, detta velocità di propagazione del suono, dipendente dalle caratteristiche fisiche del mezzo: per l'aria la velocità è di 331 m/sec. Nei liquidi e nei solidi la velocità di propagazione, di più difficile determinazione, assume in genere valori assai maggiori che negli aeriformi.
Nell'acqua la velocità di propagazione del suono è di circa 1.450 m/sec.
Gli elementi caratteristici di un suono sono l'altezza (o acutezza) l'intensità e il timbro. Per un suono puro (o semplice o monocromatico), cioè nel caso che le vibrazioni siano sinusoidali, l'altezza è caratterizzata dalla frequenza della vibrazione sinusoidale. L'intensità di emissione d'un suono, definita come l'energia emessa per unità di tempo dalla sorgente sonora, risulta proporzionale al quadrato dell'ampiezza di vibrazione della sorgente medesima. Il timbro (o metallo, o colore) di un suono è elemento determinato dalle armoniche che accompagnano il suono fondamentale, e quindi dalla forma della vibrazione. Due suoni emessi da strumenti diversi, pur se uguali per altezza e intensità, si distinguono precisamente per il loro diverso timbro.
