Onde

Un sasso cade in un lago, una corda viene fatta oscillare, un terremoto scuote la terra, tu mi parli e io ti ascolto, la radio diffonde musica: sono tutti esempi che coinvolgono le onde.

Ma che cosa è un'onda? Le onde sono una perturbazione che si propaga attraverso un mezzo. Le onde sono in grado di trasferire energia senza trasferimento di materia.

Il moto di un’onda ha bisogno di una sorgente di energia che crea il disturbo che poi si propaga fino al ricevitore. Il disturbo, per propagarsi, ha bisogno di un mezzo.

Onde longitudinali e trasversali

Il mezzo in realtà non si sposta dalla sorgente di energia fino al ricevitore ma vibra mentre trasmette il disturbo e la direzione in cui vibra ci permette di distinguere tra due tipi di onde:

• onde longitudinali (a);
• onde trasversali (b).

Nelle onde longitudinali la vibrazione avviene nella stessa direzione di propagazione dell’energia mentre nelle onde trasversali il mezzo vibra in direzione ortogonale alla direzione di propagazione dell’energia.

Sono onde del primo tipo le onde sonore, che sono onde di pressione, mentre sono onde trasversali quelle onde che si muovo sulla superficie di un lago quando ci gettiamo un sasso, oppure le corde di una chitarra che vengono pizzicate o ancora la luce che viaggia nel vuoto.
Le onde longitudinali possono trasmettersi nei solidi, nei liquidi e nelle sostanze gassose, mentre le onde trasversali solo nei solidi o sulla superficie di liquidi, dove ci sono forti legami molecolari.

Per vedere degli esempi di come un’onda si propaga in un liquido, oppure di come si propaga un’onda sonora, potete provare a utilizzare il laboratorio virtuale messo a disposizione dalla University of Colorado Boulder, cliccate anche sul controllo “graph” per visualizzare il grafico dello spostamento.

Per capire quale sia il ruolo del mezzo per la propagazione di un’onda guardate le animazioni che trovate sul sito di oPhysics.
Dobbiamo pensare che nelle sostanze solide e sulle superfici dei liquidi le molecole che compongono la materia hanno dei forti legami tra di loro e muovere una molecola fa sì che anche quelle vicine vengano a loro volta trascinate e messe in movimento.

Lunghezza d’onda, ampiezza e frequenza

Le grandezze fisiche fondamentali che permettono di descrivere le onde e il loro comportamento sono:

• la lunghezza d’onda, ovvero sia la distanza tra due creste successive di un’onda
• l'ampiezza, ovvero sia la distanza (verticale) tra un picco e l’asse delle ascisse
• la frequenza, ovvero sia il numero di volte che un’onda si ripete in un secondo.

Onde meccaniche

Il suono, i terremoti, gli tsunami, sono tutti esempi di onde meccaniche, in cui della materia si scontra con altra materia che a sua volta si scontra con altra materia e così via, permettendo all’energia di propagarsi nello spazio e nel tempo. Le onde meccaniche possono propagarsi attraverso solidi, liquidi e gas, ma cosa le distingue? Ciò che distingue diversi tipi di onde meccaniche è la loro frequenza: se ordiniamo le frequenze in ordine crescente otteniamo quello che si chiama lo spettro di frequenze

Onde elettromagnetiche

E le onde elettromagnetiche? Le onde elettromagnetiche si originano da cariche elettriche che vibrano, come nell’esperimento di Hertz, dove la bobina di induzione genera delle scintille che a loro volta si comportano da sorgente di onde elettromagnetiche che viaggiano nello spazio fino a manifestarsi nuovamente come scintille ai capi del ricevitore.

Come è possibile questo? Le cariche elettriche si influenzano anche a distanza in virtù della presenza di un campo elettrico anche se tra loro non c’è materia alcuna, ovvero sia nel vuoto.
La luce è infatti un’onda elettromagnetica che viaggia nel vuoto alla velocità di circa 300.000 Km/s impiegando 8 minuti per arrivare dal Sole alla Terra.
Un disturbo si origina dalle cariche elettriche che vibrano e questo si propaga nel campo elettrico, ma sappiamo anche che una variazione nel campo elettrico genera un campo magnetico che varia nel tempo e nello spazio inducendo così una nuova variazione nel campo elettrico etc: il risultato dell’interazione tra campo elettrico e campo magnetico è il campo elettromagnetico che si propaga come onda trasversale nello spazio e nel tempo.

Anche le onde elettromagnetiche possono essere distinte in base alla loro frequenza, per cui è opportuno fare riferimento allo spettro elettromagnetico.

Antenne e ricevitori

Per ricevere un’onda elettromagnetica di una determinata frequenza (e dunque lunghezza d’onda) serve un ricevitore opportuno, per esempio i nostri occhi sono adatti a ricevere la luce ma non altre radiazioni elettromagnetiche, e un’antenna in grado di ricevere la radio non è adatta per la ricezione di una trasmissione televisiva.

Consideriamo una barca che mentre galleggia è soggetta al passaggio di onde di diversa lunghezza d’onda, quella che influirà di più sulla stabilità della barca è quella che ha lunghezza d’onda circa uguale alla lunghezza del suo scafo.
Così un ricevitore, per risuonare con l’onda emessa dalla sorgente, dovrà avere una lunghezza d’onda comparabile con questa.

Strumenti musicali

E in uno strumento musicale, cosa succede con le onde sonore? La vibrazione della corda di un violino o di una chitarra mette in vibrazione l’aria contenuta nella cassa acustica, mentre uno strumento a fiato o uno a percussione può essere pensato come un cilindro pieno d’aria vincolato tra due punti fissi: quando soffiamo nella bocca dello strumento o colpiamo la superficie del tamburo, l’aria contenuta al loro interno inizia a vibrare.

Consideriamo adesso una chitarra, quando pizzichiamo una corda la mettiamo in vibrazione e l’onda che ne risulta viaggia fino a un’estremità della corda per poi rimbalzare, tornare indietro e rimbalzare nuovamente fino all’altro estremo, e così via fino a che l’energia iniziale non si è dissipata. L’interazione di queste onde che viaggiano in sensi opposti dà origine alle onde stazionarie, che sono i modi naturali di vibrazione dello strumento, quelli che richiedono meno energia e che persistono più a lungo.

Sempre considerando la corda di una chitarra, non c’è un solo modo di disegnare un’onda che sia ferma negli estremi della corda ma ne esistono molti: ciascuno di questi modi di vibrazione è associato a un'armonica.