LE ONDE MECCANICHE

INTRODUZIONE

Un'onda è un trasporto di energia ma NON di materia. La materia infatti oscilla intorno ad un punto di equilibrio.
Le onde meccaniche trasmettono l'energia attraverso un mezzo elastico, come l'acqua, l'aria o il terreno.
In base all'oscillazione della materia si definiscono:

onde longitudinali, dove la materia oscilla nella direzione dell'onda.

onde trasversali, dove la materia oscilla perpendicolarmente alla direzione dell'onda.
le onde sulla superficie di un liquido, poichè è incomprimibile, sono una combinazione di onde trasversali e longitudinali.
Per questo un oggetto a galla fa un moto ellissoidale e, fino a 10 metri, sulla sabbia si vedono i classici solchi ad onda. In un'onda si definiscono inoltre:

la cresta, ovvero il punto più alto dell'onda.

il ventre, ovvero il punto più basso dell'onda.

LE ONDE PERIODICHE

Un'onda è periodica se si ripete regolarmente nel tempo, ovvero ha una sorgente energetica che si ripete costantemente nel tempo.
Il tempo, in secondi, in cui si ripete si chiama periodo. L'inverso del periodo si chiama frequenza, e si misura in Herz.
La distanza minima dopo la quale il profilo dell'onda si ripete si chiama lunghezza d'onda.

Il rapporto tra la lunghezza d'onda e il periodo ci dà la velocità dell'onda, che dipende dal mezzo di propagazione.
Visto che la frequenza è l'inverso del periodo, possiamo scrivere: v=λ•f
Infine definiamo l'ampiezza come il massimo spostamento dell'onda dalla posizione di equilibrio

RAPPRESENTAZIONI CARTESIANE DI UN'ONDA

Si può rappresentare un'onda su un piano cartesiano in due modi distinti:

facendo una rappresentazione spaziale ovvero è come fare una foto del profilo dell'onda.

facendo una rappresentazione temporale ovvero è un filmato dell'oscillazione di un punto dell'onda, descritto come in un sismografo.

ALTRE CLASSIFICAZIONI DELLE ONDE

Nelle onde noi distinguiamo ilfronte d'onda e il raggio di propagazione.
In base alla sorgente si definiscono inoltre:

le sorgenti puntiformi, cioè localizzate in un punto.

le sorgenti filiformi, cioè localizzate in una linea.

le sorgenti piane, cioè localizzate in una superficie.
In base al mezzo di propagazione abbiamo mezzi:

monodimensionali, come nella molla o nella corda.

bidimensionali, come la superficie di uno stagno.

tridimensionali, come nell'aria.

LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO

Una rappresentazione grafica delle onde può essere fatta anche in base alla frequenza.
Ne risulta un grafico che in ascissa ha la frequenza e in ordinata l'ampiezza.
La rappresentazione in frequenza è molto utile, ad esempio per le soglie di udibilità e di emissione dei suoni.
Sotto la soglia di udibilità noi parliamo di infrasuoni. Un esempio sono i terremoti.
Sopra la soglia di udibilità noi parliamo di ultrasuoni. Un esempio lo abbiamo nelle ecografie.
Un aspetto interessante della rappresentazione in frequenza è collegato alle onde elttromagnetiche, che non sono onde meccaniche, ma si comportano allo stesso modo.
In queste possiamo osservare come, all'aumentare della frequenza, abbiamo più energia trasmessa, nonchè fenomeni e applicazioni differenti.
In questi grafici si mette spesso in evidenza la relazione inversa tra la dimensione dell'onda e la frequenza

IL PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE

Il principio di sovrapposizione afferma che due o più onde sommano i loro effetti quando si incontrano.
Quindi ogni punto dell'onda risultante sarà la somma delle ampiezze dei punti delle onde che si incontrano.
Se gli impulsi sono di verso opposto, le onde sottraggono le loro ampiezze.
Al termine della sovrapposizione, ogni onda prosegue il suo cammino come se non avesse mai incontrato le altre onde.

LE ONDE E IL MODIFICARSI DEL MEZZO DI PROPAGAZIONE

Si distinguono tre casi:

La riflessione, cioè l'urto contro un ostacolo.
A sua volta dobbiamo vedere se il punto di riflessione è vincolato o meno

se è vincolato l'onda si riflette con impulso opposto, perchè si crea una reazione verso il basso nel vincolo
se non vincolato l'onda nell'urto raggiunge, per inerzia, una altezza maggiore e si riflette con un impulso dalla stessa parte.

La rifrazione, cioè il passaggio da un mezzo ad un altro con un angolo di incidenza.
Normalmente si ha una parziale trasmissione e una parziale riflessione. In base al punto di passaggio tra i due mezzi, se entriamo in un mezzo

più denso: abbiamo un vincolo più rigido, che stoppa l'oscillazione, ne segue che l'onda riflessa avrà l'impulso invertito.L'onda trasmessa sarà più lenta e più bassa.
meno denso: non abbiamo un vincolo e l'onda riflessa avrà l'impulso dalla stessa parte.L?onda trasmessa sarà più veloce e più alta.

La diffrazione, cioè il passaggio attraverso una fenditura o attorno ad un ostacolo.

Nel caso di una fenditura, se la larghezza è confrontabile con la lunghezza d'onda incidente, abbiamo come una sortgente puntiforme, altrimenti, se la fenditura è più larga, questo fenomeno lo vediamo solo ai bordi.
Negli ostacoli invece è come avere sorgenti puntiformi alle estremità.

PARTICOLARI SOVRAPPOSIZIONI DI ONDE

vedremo quattro casi:

L' interferenza, che è un'onda creata dalla somma di altre onde. Si divide in:

interferenza costruttiva, con onde più grandi
interferenza distruttiva, con onde di ampiezza minore, fino ad annullarla.

Con sorgenti di onde coerenti, cioè di stessa frequenza, osserviamo delle particolari figure, che troveremo anche nella luce

La risonanza, ovvero un'onda molto più grande dovuta al sovrapporsi dell'energia di tante onde con particolare frequenza.

Le onde stazionarie, dove alcuni punti, detti nodi sono fissi, mentre altri, detti antinodi hanno la massima oscillazione.

I battimenti, che si creano dalla somma di onde con frequenza simile.

LE ONDE SONORE

Sono onde longitudinali che si propagano nell'aria, ma anche nei liquidi e nei solidi.
Non si trasmettono nel vuoto perché manca il mezzo di propagazione.
Anche in questo caso la velocità di propagazione dipende dal mezzo in cui si propaga l'onda.

LE CARATTERISTICHE DEL SUONO

Il suono si distingue dal rumore perchè il suono è composto di onde periodiche.
Del suono sono interessanti le seguenti grandezze:

la altezza, che è collegata con la frequenza dell'onda.

il timbro, che è collegata con la forma dell'onda.

l' intensità, che è collegata con la potenza dell'onda.

il livello, che è collegata con la percezione auditiva.

L'ECO

L'eco è un fenomeno che si verifica quando un suono riflette su una parete.
Poichè noi sappiamo la velocità del suono nel mezzo, possiamo ricavarci la distanza della parete o dell'oggetto misurando il tempo.
Poichè il cammino e avanti e indietro, questo è il doppio della distanza.
Si ricava quindi che la distanza è d=v•t/2