LE ONDE MECCANICHE
Capitolo 14 di Fisica
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LE ONDE IN FISICA
Un punto materiale può spostarsi leggermente dalla propria posizione di equilibrio rimanendo, complessivamente, fermo, ma oscillando periodicamente attorno a quella posizione. Questo moto, detto moto armonico, può propagarsi nello spazio e nel tempo: il fenomeno di propagazione di un’oscillazione, in fisica, va sotto il nome di onda.
Un’onda quindi è la propagazione di una oscillazione, una vibrazione che si sposta. Un’onda non è un moto di corpi massivi, non ha una traiettoria e non c’è una legge oraria
che ne descrive il comportamento: ricordiamo che la traiettoria è l’insieme delle posizioni di un punto materiale che esso viene ad occupare durante il suo moto, e la legge oraria di un punto materiale è una funzione che ad ogni istante assegna la posizione occupata dal punto materiale in questione in quell’istante. L’onda non ha una traiettoria, la hanno i punti messi in moto da essa; similmente, l’onda non “occupa” una posizione in un dato istante, sono le particelle che mette in moto ad occuparla: un’onda, di qualsiasi tipo, non trasporta materia, e non causa uno spostamento netto di materia, ma solo sue vibrazioni. Eppure, possiamo accorgerci della presenza o dell’assenza di un’onda, e possiamo tracciarne la propagazione all’interno di un mezzo: un’onda, pur non spostando materia, è capace di spostare energia, responsabile dell’oscillazione delle singole particelle. Più precisamente, un’onda trasmette energia, senza spostare materia.
La propagazione delle onde può avvenire attraverso un mezzo: in questo caso, parliamo di onde meccaniche, poichè sono le caratteristiche di rigidità ed elasticità del mezzo a dettare la modalità di questa diffusione di energia. Ma esistono altri tipi di onde che possono viaggiare anche senza un mezzo di diffusione. Questo fenomeno è caratteristico delle onde magnetiche, come la luce, capaci di propagarsi nel vuoto interstellare. La teoria della relatività generale di Einstein prevede la presenza di onde gravitazionali, generate dalla massa dei corpi, anch’esse in grado di viaggiare in assenza di materia.
Per studiare il fenomeno di propagazione di un’onda, dobbiamo
innanzitutto ricordare che cosa significhi che un corpo si muova di moto armonico: un punto materiale si muove di moto armonico quando oscilla regolarmente con una certa frequenza fff attorno ad una posizione di equilibrio. La forza responsabile di un tale spostamento è descritta dalla Legge di Hooke, e un punto animato da tale forza è il modello dell’oscillatore armonico. La frequenza fff rappresenta il numero di oscillazioni complete che il punto effettua attorno alla sua posizione di equilibrio in un’unità di tempo; il tempo impiegato dal punto materiale a compiere un’oscillazione completa si chiama periodo, TTT.
L’oscillatore armonico compie una “oscillazione completa” quando
ritorna in una posizione da cui è già passato con la medesima velocità.
La massima distanza che l’oscillatore armonico può raggiungere dalla
posizione di equilibrio si dice ampiezza del moto, solitamente indicata dalla lettera AAA.
Per la loro stessa definizione, frequenza e periodo sono l’una il reciproco dell’altra: T=1fT = \frac{1}{f}T=f1.
L’ampiezza del moto armonico, la massa del punto da esso animato e la
frequenza delle oscillazioni sono sufficienti a determinare l’energia meccanica che caratterizza il sistema: essendo la forza elastica una forza conservativa, tale quantità viene conservata da ogni oscillatore armonico, in base al principio di conservazione dell'energia.
Nelle illustrazioni, una corda viene fatta vibrare e una membrana viene defromata: queste deformazioni si propagano. Un’onda può propagarsi lungo un mezzo lineare (come una corda), su una superficie (come le increspature sulla superficie dell’acqua) o in tutto lo spazio (come il suono).
Un’onda si propaga in una determinata direzione più o meno velocemente:
ogni onda è quindi caratterizzata, oltre che dalle grandezze del moto
armonico che trasmette (come frequenza o ampiezza), da una velocità di propagazione, che indicheremo con la lettera vvv.
Un esempio di onda longitudinale è il suono: si tratta infatti di una variazione periodica nella pressione dell’aria o del mezzo entro cui viaggia.
Quando un’onda si propaga si una determinata direzione, le oscillazioni che trasmette avvengono lungo una direzione ben precisa: se la direzione delle oscillazioni è la medesima direzione di propagazione dell’onda, si parla di onde longitudinali; se invece le oscillazioni avvengono nel piano perpendicolare alla direzione di trasmissione, si parla di onde trasversali.
La direzione di oscillazioni delle onde longitudinali è determinata dalla direzione di propagazione; le onde trasversali, invece, sono libere di vibrare in una qualsiasi direzione perpendicolare a quella di propagazione
Un esempio di onda trasversale è l’onda meccanica prodotta dall’oscillazione di una corda tesa, o la radiazione elettromagnetica.
