Indice Per ogni unità in una mappa interattiva un test di verifica interattivo con punteggio finale un audioripasso esperimenti, osservazioni e schemi animati, raccolti nella sezione Il tuo laboratorio FISICA E CHIMICA 1 Lavoro ed energia 1 Il lavoro 2 Misuriamo il lavoro 3 Lavoro, forza e spostamento 4 La potenza 5 Il concetto di energia 6 Energia potenziale ed energia cinetica 8 L energia meccanica 10 L energia non si crea né si distrugge 11 Catene energetiche 12 Notizie e curiosità Il degrado energetico 14 DA RICORDARE 15 16 16 2 Fonti energetiche 19 Il Sole, fonte primaria di energia 20 Altre fonti energetiche 22 Le centrali termoelettriche e termonucleari 24 La radioattività 26 Centrali per energia idrica e geotermica 28 Pannelli solari e celle fotovoltaiche 29 Venti e biomassa 30 Per l ambiente Energia e ambiente 32 DA RICORDARE 34 35 35 3 Fra le onde sonore 37 Che cos è un onda? 38 Caratteristiche di un onda 40 Vari tipi di onde 41 Il suono: onde sonore 42 La velocità del suono 44 Caratteristiche del suono: la frequenza 46 L intensità del suono 47 Il timbro 48 La riflessione: eco e rimbombo 49 La risonanza 50 Casse di risonanza 51 Notizie e curiosità Sonar ed ecografia 52 L effetto Doppler 53 Muro del suono e bang supersonico 54 Salute e sicurezza Il rumore è pericoloso 55 DA RICORDARE 56 57 57 4 L elettricità 61 Cariche elettriche ed elettricità 62 Elettricità positiva e negativa 64 L elettrizzazione dei corpi 65 Conduttori e isolanti 66 L elettroscopio 67 La corrente elettrica 68 La pila, un generatore di corrente 70 I circuiti elettrici 71 Le grandezze elettriche 72 Notizie e curiosità I fulmini, elettricità nell atmosfera 74 IV
Che cos è e come funziona il parafulmine? 75 Salute e sicurezza Sicuri con la corrente elettrica 76 Per l ambiente Il problema energetico 77 DA RICORDARE 78 79 79 5 Il magnetismo 81 Magneti e poli magnetici 82 I magnetini elementari 84 La forza magnetica 85 La magnetizzazione 86 Il magnetismo terrestre 87 La bussola magnetica 88 L elettromagnetismo 89 L elettrocalamita 90 L induzione elettromagnetica 91 Notizie e curiosità La levitazione magnetica 92 Storia delle scienze Il magnetismo diventa scienza 93 DA RICORDARE 94 95 95 6 Luce e radioonde 97 Le onde elettromagnetiche 98 La luce 100 Fenomeni luminosi 102 La riflessione e le sue leggi 103 Immagini allo specchio 104 Le rifrazioni e le sue leggi 106 Rifrazione, lenti e immagini 108 Lo spettro luminoso 110 La visione dei colori 112 Le radioonde 113 Le trasmissione radiofoniche 114 Notizie e curiosità L anno luce 116 Miraggio e fata morgana 117 La luce laser 118 Storia delle scienze Una storia travagliata 119 DA RICORDARE 120 121 121 IL SISTEMA TERRA 7 La Terra e il suo satellite 125 Il moto di rotazione 126 Il moto di rivoluzione 128 Le quattro stagioni 130 La Luna 132 L origine della Luna 134 Il movimenti della Luna 135 Le fasi lunari 136 Le maree 137 Eclissi di Luna e di Sole 138 Notizie e curiosità Il Sole a mezzanotte 140 Storia delle scienze La Terra ruota, e le prove? 141 DA RICORDARE 142 143 143 8 La Terra dalle origini a oggi 147 La struttura interna della Terra 148 Le origini della Terra 150 L attuale conformazione della Terra 152 Wegener porta le prove 154 L espansione dei fondali oceanici 155 V RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano
La tettonica a zolle 156 Quando le zolle si allontanano 157 Quando le zolle si avvicinano 158 Notizie e curiosità Il movimento delle zolle 160 La formazione delle catene montuose 161 DA RICORDARE 162 163 163 9 Terremoti e vulcani 165 Fenomeni sismici o terremoti 166 Le onde sismiche 168 Il sismografo 169 Misuriamo un terremoto 170 I vulcani 172 Tipi di vulcani 174 Fenomeni pseudovulcanici 176 Il bradisismo 178 Notizie e curiosità Studiare i terremoti per capire la Terra 179 Per l ambiente I vulcani in Italia 180 Pericolo tsunami 182 Il più distruttivo degli tsunami 184 Salute e sicurezza Terremoti, come difenderci? 186 DA RICORDARE 188 189 189 BIOLOGIA: I VIVENTI 10 I grandi ambienti della Terra 193 La varietà degli ecosistemi 194 Zone climatiche e biomi 196 I biomi terrestri 198 Bioma polare e tundra 200 Taiga e foresta decidua 201 La foresta equatoriale 202 Savana e prateria 203 La macchia 204 Il deserto 205 Il bioma marino 206 Il bioma di acqua dolce 208 Notizie e curiosità I pesci abissali 210 Per l ambiente Per uno sviluppo sostenibile 211 Aree protette e zonazione 212 DA RICORDARE 213 214 214 11 Il comportamento degli animali 217 Etologia, scienza del comportamento 218 Istinto e apprendimento 219 Vari tipi di apprendimento 220 L imprinting 222 Il linguaggio degli animali 224 La ricerca del partner 226 Le cure parentali 227 La difesa del territorio 228 Le società temporanee 229 Una perfetta vita sociale 230 Salute e sicurezza Rispettiamo i nostri animali 232 Storia delle scienze L etologia, una storia recente 233 DA RICORDARE 234 235 235 12 Origine ed evoluzione della vita 237 Nasce la vita 238 VI
Dalle origini a oggi 240 L ipotesi più attendibile 241 Le ere geologiche 242 Darwin: evoluzione per selezione 244 Speciazione e isolamento geografico 246 I fossili, tracce della vita 247 L albero della vita 248 L evoluzione dei vertebrati 250 Notizie e curiosità Lamarck, l evoluzione prima di Darwin 252 Perché i dinosauri sono scomparsi? 254 Storia delle scienze Da Aristotele a Redi e a Pasteur 256 Dalla teoria fissista all evoluzione 258 Il cavallo, una storia di 60 milioni di anni 259 DA RICORDARE 260 261 261 BIOLOGIA: L UOMO 13 Sistemi di controllo 263 Il neurone, una particolare cellula 264 Il sistema nervoso centrale 266 L encefalo 267 Il midollo spinale 268 I lobi cerebrali 269 Il sistema nervoso periferico 270 Il sistema neurovegetativo 271 La trasmissione degli impulsi 272 A salvaguardia del sistema nervoso 274 Il sistema endocrino 276 La regina delle ghiandole 278 Le disfunzioni ghiandolari 279 Notizie e curiosità Evoluzione del sistema nervoso 280 La memoria 282 I sogni 283 DA RICORDARE 284 286 286 14 Gli organi di senso 291 I recettori degli stimoli 292 Il gusto 293 L olfatto 294 Il tatto 295 L occhio e il senso della vista 296 Alterazioni della funzione visiva 298 A salvaguardia degli occhi 299 L orecchio e il senso dell udito 300 A salvaguardia dell orecchio 302 Notizie e curiosità Visione binoculare e punto cieco 303 DA RICORDARE 304 305 305 15 Il sistema immunitario 309 Sistemi di difesa 310 La difesa aspecifica 311 Difesa specifica e risposta immunitaria 312 Immunità, vaccinazione e sieroterapia 314 Salute e sicurezza Trapianti e rigetto 316 Storia delle scienze L immunologia, da Jenner a Koch 317 DA RICORDARE 318 319 319 16 L apparato riproduttore 321 La riproduzione 322 L apparato riproduttore maschile 323 L apparato riproduttore femminile 324 VII
Spermatozoi e ovuli 325 Il ciclo ovarico 326 Gli ormoni e il ciclo ovarico 327 La gravidanza 328 Sviluppo embrionale e fetale 330 Il parto 332 A salvaguardia dell apparato riproduttore 333 Notizie e curiosità Gravidanze gemellari 334 La diagnosi prenatale 335 Le cellule staminali 336 Salute e sicurezza AIDS, una pericolosa malattia 338 DA RICORDARE 340 341 341 17 Ereditarietà e genetica 345 L ereditarietà dei caratteri 346 Le leggi di Mendel 348 Cromosomi, mitosi e meiosi 350 Geni e alleli 352 La genetica e Mendel 354 Il DNA 356 Il codice genetico 358 La duplicazione del DNA 359 La sintesi proteica 360 Le mutazioni 362 L ereditarietà nell uomo 364 Il colore degli occhi 366 Malattie ereditarie legate al sesso 368 Notizie e curiosità La dominanza incompleta 369 Ingegneria genetica e biotecnologie 370 La clonazione 372 Storia delle scienze Nasce l era genomica 373 DA RICORDARE 374 375 375 18 L evoluzione della specie Homo 379 Comparsa ed evoluzione dei primati 380 Gli ominidi 381 Gli Australopitechi 382 Dall Homo habilis all Homo erectus 383 Dall Homo erectus all Homo sapiens moderno 384 L Homo sapiens moderno, noi 386 Per l ambiente Quale futuro? 388 DA RICORDARE 389 390 390 VIII
FISICA I E CHIMICA I C PREREQUISITI Conoscere la struttura della materia Conoscere il concetto di energia Fra le onde sonore 3 LIBRO DIGITALE video LA TRASMISSIONE DELLE ONDE SONORE E L'ORECCHIO Percorso di studio OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO Ciò che saprai Il concetto di onda, le sue proprietà e caratteristiche La differenza fra onda meccanica e onda elettromagnetica Il concetto di suono e le sue caratteristiche I principali fenomeni acustici Ciò che saprai fare Individuare proprietà e caratteristiche di un onda Distinguere un onda meccanica da una elettromagnetica Individuare i suoni e le loro caratteristiche Distinguere i principali fenomeni acustici individuandone cause ed effetti La mia voce, il suono di una chitarra, il rumore del motore di una macchina sono onde sonore. Perché onde? Che cosa significa? Ma queste onde sonore sono così diverse fra loro; da che cosa dipende? Che cos è un onda? Il suono: onde sonore Caratteristiche di un onda Vari tipi di onde Quando vado in montagna mi diverto a sentire l eco della mia voce. Ma che cosa succede esattamente? La velocità del suono Caratteristiche del suono: la frequenza Casse di risonanza Il timbro L intensità del suono Sonar ed ecografia L effetto Doppler Muro del suono e bang supersonico La riflessione: eco e rimbombo La risonanza Il rumore è pericoloso
FISICA E CHIMICA Che cos è un onda? Percepiamo in continuazione un immensità di immagini (un tramonto, il volto di una persona cara, la coltre di neve che ha imbiancato il giardino ecc.) e di suoni (la voce dei nostri amici, l abbaiare di un cane, il rombo dei motori in una strada trafficata ecc.). E immagini e suoni ormai ci arrivano anche da molto lontano. Attraverso la televisione, il computer, il telefono o la radio, vediamo e ascoltiamo ciò che accade in tutto il mondo. Ti sei mai chiesto come fa la luce ad arrivare ai nostri occhi o il suono alle nostre orecchie? O ancora, come arrivano a un televisore suoni e immagini prodotti lontano da noi? Tutto attraverso il mondo di onde in cui siamo continuamente immersi, anche se non sempre siamo in grado di percepirle. Sono onde, infatti, le onde sonore che trasportano il suono fino alle nostre orecchie, le onde luminose che gli oggetti emettono o riflettono permettendoci la loro visione, le onde radio che trasportano a distanza suoni e immagini. Ma che cos è un onda? Onde a noi familiari sono sicuramente quelle prodotte da un sasso lanciato nell acqua. Osservandole possiamo pensare all onda come alla perturbazione delle molecole dell acqua alle quali il sasso trasmette la sua energia cinetica. Questa perturbazione forma delle increspature circolari che si allontanano sempre più dal punto di contatto del sasso dando origine a cerchi sempre più ampi, le onde. 38 Che cosa si muove in questa propagazione dell onda? La perturbazione, cioè energia, o l acqua, cioè materia? Verifichiamolo con un esperimento.
Fra le onde sonore 3 LIBRO DIGITALE esperimento animato Onde, fenomeni senza trasporto di materia Procurati un tappo di sughero e un sassolino. Sistemati ai bordi di una vasca da bagno, poggia il tappo sullo specchio d acqua e aspetta che la superficie sia perfettamente ferma. Butta adesso il sassolino nell acqua a una certa distanza dal tappo. Che cosa osservi? La perturbazione prodotta dall impatto del sassolino con l acqua si propaga sulla superficie dell acqua trasportando con sé il tappo? O il tappo non si sposta ma si limita a oscillare su e giù? La perturbazione provoca delle increspature circolari e concentriche che si allargano sempre più. Il tappo però non si sposta orizzontalmente ma si limita a oscillare su e giù. Puoi dedurre che con l onda non si verifica uno spostamento di materia ma solo un oscillazione attorno a una posizione iniziale di quiete. Possiamo quindi dire che: Le onde sono perturbazioni di tipo oscillatorio o vibratorio, provocate in un mezzo elastico attraverso cui si propaga energia senza trasporto di materia. È il motivo per cui: un galleggiante investito da un onda (una barca che passa nelle vicinanze) non viene trasportato da essa ma si muove solo verso l alto e il basso e, finita la perturbazione, è nella posizione iniziale; una bottiglia al largo, in balìa delle onde, galleggia e compie solo movimenti in verticale senza avvicinarsi a riva; se ciò avviene è solo perché sarà sospinta dal vento, ma non dalle onde. 39 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano
FISICA E CHIMICA Caratteristiche di un onda Per osservare le caratteristiche di un onda, rappresentiamola con una linea dalla forma simile, come puoi vedere, a quella che assume l onda che si propaga lungo una corda che viene fatta oscillare. cresta cresta In questa linea, detta sinusoide, individuiamo: ampiezza O lunghezza d onda λ ventre O oscillazione completa sinusoide ventre tempo il punto più alto dell onda, detto cresta, e il punto più basso, detto ventre; l insieme di una cresta e di un ventre che costituisce un oscillazione completa; la distanza fra due creste o fra due ventri successivi, detta lunghezza d onda (simbolo λ, lambda ); la sua unità di misura è il metro o l ångström (1 Å = 10 7 mm); l altezza dell onda, misurata perpendicolarmente fra la cresta (o il ventre) e l asse di propagazione dell onda, detta ampiezza. Altre caratteristiche di un onda sono il periodo, la frequenza e la velocità. f = 2 Hz 1 s t Si chiama periodo (simbolo T) il tempo impiegato per compiere un oscillazione completa. Si chiama frequenza (simbolo f ) il numero di oscillazioni complete che un onda compie nell unità di tempo. L unità di misura della frequenza è l hertz (Hz), che corrisponde a un oscillazione completa in un secondo: 1 Hz = 1 oscillazione al secondo Se un onda ha una frequenza di 2 Hz, ad esempio, significa che compie 2 oscillazioni complete in un secondo. La velocità di un onda è il rapporto tra il tempo impiegato a compiere un oscillazione completa, periodo T, e lo spazio corrispondente a una lunghezza d onda. Avremo quindi: λ 1 v = e poiché f = avremo: v = λ f. T T La velocità di un onda è data quindi dal prodotto della sua lunghezza d onda per la sua frequenza. 40
Fra le onde sonore 3 Vari tipi di onde Le onde, queste perturbazioni di tipo oscillatorio, possono essere innanzitutto di due tipi: trasversali e longitudinali. Osserviamone la differenza nelle vibrazioni di una corda fatta oscillare e di una molla tesa e poi lasciata andare. Le particelle della corda oscillano perpendicolarmente alla direzione in cui si propaga l onda. Si parla di onda trasversale. direzione di propagazione Le particelle della molla oscillano nella stessa direzione in cui si propaga l onda. Si parla di onda longitudinale. direzione di propagazione Abbiamo parlato di suoni (onde sonore) e di luce (onde luminose). Sono onde dello stesso tipo? vuoto vuoto Il suono della sveglia posta in una campana dove è stato fatto il vuoto non sarà affatto udibile. La luce di una lampada posta in una campana dove è stato fatto il vuoto arriva ugualmente ai nostri occhi. Diciamo che le onde si distinguono in: onde meccaniche, quali il suono o le onde sismiche (dovute ai terremoti), se la loro causa è di tipo meccanico e provocano quindi oscillazioni che si propagano solo attraverso un mezzo; onde elettromagnetiche, quali la luce o le onde radio, se la loro causa è il movimento di particelle elementari quali gli elettroni e si propagano quindi anche nel vuoto. 41
FISICA E CHIMICA Il suono: onde sonore Il suono di un violino, la melodia di un bel canto, ma anche l assordante rombo di un aereo o il fastidioso rumore di un martello pneumatico sono un particolare tipo di onde meccaniche, dette onde sonore. Esattamente: Il suono è il prodotto delle vibrazioni di un corpo elastico che vengono trasmesse sotto forma di onde longitudinali che si propagano in tutte le direzioni. Abbiamo già visto che queste onde sonore si trasmettono solo attraverso un mezzo; constatiamo adesso che sono proprio di natura meccanica, cioè vibrazioni del corpo che le genera. LIBRO DIGITALE osservazione animata L elastico teso tra due chiodini, se pizzicato con le dita, si mette in vibrazione e, a questo punto, puoi ascoltare il suono emesso anche se molto debole. Se di colpo blocchi l elastico, cesserà anche il suono, e se lo pizzichi nuovamente l elastico riprenderà a vibrare e tu sentirai di nuovo il debole suono. Le onde sonore vengono quindi generate da un corpo elastico che entra in vibrazione, ovvero sono di natura meccanica. Ma come fanno queste onde sonore a propagarsi in un mezzo e arrivare al nostro orecchio per essere percepite come suoni? 42
Fra le onde sonore 3 Il righello è poggiato su un tavolo e sporge dal bordo. Se ne facciamo vibrare la parte sporgente, sentiremo un suono. Che cosa è successo? compressione compressione espansione 1) Per far vibrare il righello abbiamo premuto sulla parte sporgente e poi lo abbiamo lasciato libero di andare verso l alto. Durante questo movimento le molecole dell aria che sono sopra il righello vengono compresse e intanto 2) il righello che continua a vibrare adesso va verso il basso. Le molecole che erano state compresse trasmettono la compressione alle molecole sovrastanti e nella regione sopra il righello si ha un espansione dell aria. compressione espansione compressione 3) Il righello continua a muoversi verso il basso e va a comprimere le molecole dell aria che sono sotto e che a loro volta trasmettono la compressione alle molecole sottostanti creando ancora una compressione dell aria nella regione sotto il righello. Finché il righello continua a vibrare si alterneranno compressioni ed espansioni. La propagazione del suono è dovuta proprio a questa successione di compressioni ed espansioni delle molecole dell aria, che in questo modo formano delle onde sferiche concentriche, le onde sonore, che allargandosi in tutte le direzioni si propagano fino ad arrivare al nostro orecchio. Qui, come capirai meglio studiando la struttura e il funzionamento dell orecchio, metteranno in vibrazione la membrana del timpano e, attraverso una serie di trasformazioni, arriveranno al cervello che le riconoscerà e ci permetterà di udirle. 43
FISICA E CHIMICA La velocità del suono Il suono si propaga con velocità diversa a seconda del mezzo attraverso il quale avviene la sua propagazione. La velocità è maggiore nei corpi solidi, meno nei liquidi e ancora meno nei gas; questo perché nei corpi solidi le molecole sono strettamente legate fra loro e questo consente una trasmissione più veloce delle vibrazioni rispetto a quella che avviene nei liquidi o nei gas, dove le molecole sono via via più lontane le une dalle altre. aria 340 m/s acqua 1450 m/s ferro 5170 m/s VELOCITÀ DEL SUONO IN ALCUNI MATERIALI (m/s) Vetro 5370 Zinco 3810 Alluminio 5240 Ottone 3420 Ferro 5170 Sughero 500 Acciaio 5000 Mattone 3000 Legno 4100 Alcol 1280 Marmo 3810 Diamante 12000 Nell aria la velocità del suono è di 340 m/s, nell acqua di 1450 m/s; nella tabella a fianco puoi leggere i valori relativi alla velocità di propagazione del suono in altri mezzi. La sostanza attraverso la quale un suono si propaga ne determina quindi la velocità e di conseguenza la migliore o peggiore propagazione. Se le onde sonore attraversano infatti un materiale dove hanno velocità minore, il suono stesso ha più tempo per smorzarsi e arriva a un ascoltatore più debole di quanto potrebbe arrivare in minor tempo attraversando un materiale dove ha velocità maggiore. Verifichiamolo sperimentalmente. 44
Fra le onde sonore 3 Nei solidi il suono si propaga meglio Procurati due sassi, una vaschetta piena d acqua e un asta di ferro. Fai battere a un tuo compagno i due sassi dentro l acqua e ascolta il suono che emettono. Immergi adesso l asta di ferro nell acqua, avvicinandone un estremità ai sassi e l altra al tuo orecchio. Fai battere di nuovo i sassi sott acqua e ascoltane ancora il suono. Che cosa puoi dire del suono che hai ascoltato nei due casi? È sempre lo stesso o è migliore in uno dei casi? E in quale? Il suono ascoltato la prima volta, quando cioè si è propagato attraverso l acqua prima e l aria dopo, lo hai sentito un po attenuato. Ascoltandolo la seconda volta, quando cioè si è propagato attraverso l acqua prima e il ferro dopo, lo hai sentito sicuramente più nitido e forte. L esperimento ci permette di confermare che nei solidi il suono, avendo velocità maggiore, si propaga meglio e risulta più chiaro e forte. L effetto di attenuazione del suono durante la sua propagazione è quindi più o meno accentuato nelle varie sostanze: alcune attenuano poco il suono e vengono perciò dette ottimi conduttori del suono; altre invece l attenuano molto e vengono dette isolanti acustici o fonoassorbenti. Sono buoni conduttori: i liquidi in generale, i metalli, il suolo e i gas. Sono isolanti acustici: la stoffa, la gomma, il vetro, la plastica, il polistirolo, il sughero e il cartone. 45
FISICA E CHIMICA Caratteristiche del suono: la frequenza I suoni si differenziano fra loro per varie caratteristiche, fra le quali la frequenza. suono grave lunghezza d onda frequenza di 2 Hz La frequenza, detta anche altezza del suono, è il numero di oscillazioni complete che un onda sonora compie nell unità di tempo. Essa caratterizza i suoni in gravi, a bassa frequenza, e acuti, ad alta frequenza. suono acuto 1 s lunghezza d onda frequenza di 10 Hz 1 s Noi riusciamo a sentire solo i suoni che hanno determinate frequenze, e precisamente quelli con frequenze comprese fra i 20 e i 20000 Hz, che vengono perciò detti percettibili. elefante infrasuoni ippopotamo sensibilità dell orecchio umano 20 Hz 20000 Hz uomo cane pipistrello ultrasuoni delfino gatto farfalla I suoni con frequenza inferiore a 20 Hz vengono detti infrasuoni, quelli con frequenza superiore a 20 000 Hz vengono detti ultrasuoni. Infrasuoni e ultrasuoni vengono emessi e percepiti solo da alcuni animali. Osserva la frequenza (in hertz) dei suoni emessi (in verde) e percepiti (in blu) dall uomo e da alcuni animali. 120 000 100 000 80 000 60 000 40 000 20 000 0 uomo cane gatto falena cavalletta pipistrello 46
L intensità del suono Fra le onde sonore 3 Altra caratteristica di un suono è la sua intensità. suono debole a L intensità, detta anche volume del suono, rappresenta la quantità di energia trasportata dall onda sonora ed è determinata dalla maggiore o minore ampiezza dell onda sonora. suono forte a s s Essa dipende quindi dalla forza con cui il suono è stato prodotto e in base a essa i suoni si distinguono in forti, ad alta intensità, e deboli, a bassa intensità. L unità di misura dell intensità del suono è il decibel (db), che corrisponde alla minima variazione di intensità percepibile dall orecchio umano. La scala, come puoi osservare, parte da 0 db, che è il livello sonoro appena percettibile dal nostro orecchio; a 120 db si ha la soglia del dolore, che è il livello sonoro di un rumore che provoca dolore quando viene percepito e può causare danni permanenti al sistema uditivo. turboreattore a 25 m di distanza concerto rock traffico pesante conversazione biblioteca camera da letto db 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 aviogetto in decollo a 100 m di distanza soglia del dolore martello pneumatico traffico medio ufficio stanza di soggiorno bosco soglia dell udibile 47
Il timbro FISICA E CHIMICA onde armoniche onda somma delle precedenti onda fondamentale Due suoni che hanno stessa frequenza e stessa intensità possono essere diversi. Un altra caratteristica del suono è infatti il timbro, che caratterizza, ad esempio, una stessa nota emessa da una chitarra distinguendola da quella emessa da una tromba, o ancora la tua voce da quella di un tuo compagno. Il timbro dipende dalla sorgente che ha prodotto il suono e corrisponde alla forma dell onda, ovvero alla sinusoide che, come puoi vedere nella figura sotto, ha la stessa frequenza, la stessa intensità, ma è diversa in alcuni punti. Ciò perché ogni corpo, vibrando, emette un onda fondamentale e alcune onde secondarie, dette armoniche, che si sommano a quella fondamentale modificandone l andamento in alcuni punti. rebbi martelletto I suoni puri, senza armoniche, come puoi vedere, sono quelli prodotti da un diapason, uno strumento che per questa caratteristica è usato per accordare gli strumenti. Il diapason è costituito da una forcella di acciaio, le cui estremità si chiamano rebbi, sostenuta da un manico di acciaio e poggiata, generalmente, su una cassetta di legno aperta da un lato. Percuotendo uno dei due rebbi con un martelletto, il diapason vibra ed emette un suono puro corrispondente a una ben precisa nota musicale (generalmente il La ). Se i caratteri distintivi, cioè frequenza, intensità e timbro, sono ordinati, costanti e si ripetono con regolarità, si parla di suono, se invece sono disordinati e irregolari si parla di rumore. 48
Fra le onde sonore 3 La riflessione: eco e rimbombo Hai mai osservato che cosa succede all onda generata da un sasso lanciato in acqua? Osserva la vaschetta: quando le onde generate dal sasso incontrano il bordo della vaschetta, tornano indietro. Allo stesso modo si comportano le onde sonore. Quando un onda sonora incontra un ostacolo di notevoli dimensioni, ad esempio un muro o le pareti di una montagna, rimbalza e ritorna indietro, subisce cioè il fenomeno della riflessione. La riflessione è il fenomeno per cui un onda sonora che durante la sua propagazione incontra un ostacolo torna indietro. L onda in arrivo si dice onda incidente, l onda che torna indietro si dice onda riflessa. Questo fenomeno può causare l eco o il rimbombo. Se di fronte alla parete di una montagna lanci un urlo, come avrai forse già osservato, dopo un breve intervallo di tempo risenti il tuo urlo chiaro e distinto come proveniente dalla montagna. È l eco della tua voce. Che cosa è successo esattamente? Il tuo urlo ha incontrato un grande ostacolo e ha subìto proprio il fenomeno della riflessione tornando indietro chiaro e distinto alle tue orecchie. Questo però accade solo se l ostacolo, la parete della montagna, si trova a una distanza di almeno 17 m. Perché? Il nostro orecchio percepisce due suoni come distinti solo se fra l uno e l altro passa almeno un intervallo di 1/10 di secondo. Sapendo che il suono nell aria si propaga a una velocità di 340 m/s e che quindi in 1/10 di secondo percorre 340 : 10 = 34 m, il nostro orecchio percepirà il suono riflesso come distinto dal suono emesso solo se l ostacolo è distante almeno 17 m; in questo modo, infatti, fra andata e ritorno, ci saranno proprio 34 m di distanza e quindi 1/10 di secondo di intervallo. Che cosa succede se invece l ostacolo si trova a una distanza minore? Prova a parlare a voce alta in una stanza completamente vuota. La tua voce incontrando le pareti della stanza viene riflessa ma il suono riflesso, ritornando prima che sia trascorso 1/10 di secondo, si mescola al suono emesso e alle tue orecchie arriva un suono confuso e disturbato. È il rimbombo della tua voce. 49 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano
La risonanza FISICA E CHIMICA Una macchina è ferma con il motore acceso nelle vicinanze della finestra della tua cameretta. Perché i vetri vibrano? Per rispondere alla domanda osserva che cosa succede a un corpo posto nelle vicinanze di un altro che vibra. Il primo diapason è vicino ad altri due diapason, il secondo ha una frequenza diversa e il terzo ha la stessa frequenza. Percuotendo il primo diapason le vibrazioni che si originano fanno vibrare il terzo diapason di uguale frequenza, mentre il secondo, di frequenza diversa, non vibrerà. Possiamo dedurre che se due corpi sono in grado di vibrare alla stessa frequenza, non appena uno inizia a vibrare anche l altro spontaneamente entra in vibrazione, esattamente entra in risonanza. La risonanza è il fenomeno di trasmissione delle vibrazioni di una sorgente sonora a un altro corpo che inizia anch esso a vibrare alla stessa frequenza della sorgente sonora. I vetri della finestra della tua cameretta vibrano perché le vibrazioni di una sorgente sonora, la macchina, mettono in vibrazione un corpo vicino, i vetri, proprio per il fenomeno della risonanza. 50
Qualcosa di più Casse di risonanza O gni corpo che emette suoni vibra a una sua ben precisa e specifica frequenza, detta frequenza naturale, che dipende dalle caratteristiche fisiche e chimiche del corpo. Tale proprietà viene sfruttata per amplificare un suono con opportune casse di risonanza. La cassetta di legno su cui poggia il diapason, ad esempio, serve a sfruttare proprio il fenomeno della risonanza. L aria che la cassetta contiene, infatti, ha una frequenza di oscillazione uguale a quella del diapason. Quindi, quando il diapason emette il suo ben preciso suono, le vibrazioni entrano in risonanza con l aria della cassetta, con il risultato di rafforzare il suono stesso. Tieni in mano un diapason senza la sua cassetta e fallo vibrare: sentirai un suono alquanto debole. Appoggialo poi su un tavolo: sentirai il suono più intenso. Inseriscilo quindi nella sua cassetta: il suono sarà ancora più intenso. Per questa sua funzione la cassetta di legno del diapason viene anche chiamata cassa di risonanza. Anche numerosi strumenti musicali (il violoncello, la chitarra, il mandolino, il pianoforte ecc.) sono dotati di cassa di risonanza, il cui compito è proprio quello di rafforzare il suono prodotto. Chitarra. Mandolino. Pianoforte. Violoncello. 51
Notizie e curiosità Sonar ed ecografia ricevitore onde sonore riflesse I l fenomeno dell eco viene sfruttato dall uomo nel sonar, o ecoscandaglio, e in medicina con l ecografia. I l sonar è una complessa apparecchiatura che permette di misurare le profondità del fondale marino o di localizzare relitti, banchi di pesci, sommergibili ecc. Osserviamone il funzionamento per misurare, ad esempio, la profondità di un fondale marino. trasmettitore Il sonar, posto sotto la carena di una nave, emette ultrasuoni tramite un trasmettitore che registra anche l istante in cui essi vengono emessi. Quando le onde sonore arrivano sul fondale marino, vengono riflesse e ritornano alla nave, dove un altro dispositivo, il ricevitore, le capta e ne registra l istante di arrivo. Misurando l intervallo di tempo tra l emissione e la ricezione dell onda sonora e conoscendo la velocità del suono nell acqua del mare (1510 m/s), si ottiene la misura della profondità del fondale marino applicando la formula s = vt, dove s è il doppio (andata e ritorno) della profondità che si vuole calcolare. L ecografia è una tecnica diagnostica basata sul fenomeno della riflessione. Viene usata per avere le immagini degli organi interni del nostro organismo attraverso gli ultrasuoni, che sono innocui per l uomo. Un apposito strumento invia fasci di ultrasuoni sulla parte del corpo da esaminare. Questi attraversano la pelle e vengono riflessi dall organo interno che si sta esaminando. Le onde riflesse vengono rilevate da un apposito strumento e trasformate in immagine, l ecogramma. Poiché l ecografia è una tecnica innocua, viene eseguita anche sulle donne in gravidanza per seguire lo sviluppo del nascituro ed evidenziarne eventuali malformazioni già durante la gravidanza. 52
AMBULANZA Notizie e curiosità L effetto Doppler S ei alla stazione e sta arrivando un treno che non ferma ma continua la sua corsa allontanandosi da te. Se hai ascoltato attentamente il fischio del treno intanto che si avvicinava e poi mentre si allontanava, avrai sicuramente notato che è più acuto quando il treno si avvicina e meno acuto mentre si allontana. Lo stesso effetto si ha trovandosi nelle vicinanze di un mezzo munito di sirena, un ambulanza, un autopompa dei Vigili del Fuoco o una macchina dei carabinieri, che di corsa si avvicina o si allontana. frequenza minore meno onde al secondo suono più grave frequenza maggiore più onde al secondo suono più acuto AMBULANZA AMBULANZA Come mai? Il suono, che viene emesso da una sorgente in movimento sempre con la stessa frequenza, acquista, rispetto a un ascoltatore fermo, una frequenza maggiore o minore di quella con cui viene emesso, a seconda che la sorgente si avvicini o si allontani. Quando il veicolo si avvicina, il suono percorre una distanza sempre minore rispetto all ascoltatore e si comporta come se venisse schiacciato ; diminuisce quindi la sua lunghezza d onda e aumenta la frequenza diventando sempre più acuto. Al contrario, quando si allontana, il suono percorre una distanza sempre maggiore rispetto all ascoltatore e si comporta come se venisse dilatato ; aumenta quindi la sua lunghezza d onda e diminuisce la frequenza diventando sempre meno acuto. Questo fenomeno, che si ha anche quando a muoversi non è la sorgente sonora ma l ascoltatore oppure entrambi, viene detto effetto Doppler, dal nome del fisico austriaco Christian J. Doppler (1803-1853) che lo studiò nel 1842. 53
Notizie e curiosità Muro del suono e bang supersonico L a velocità del suono nell aria, tempo fa, era ritenuta insuperabile da un aereo senza che esso riportasse gravi danni o addirittura esplodesse. Durante il volo infatti le onde sonore emesse da un aereo comprimono davanti a esso l aria che, con l aumentare della velocità, diventa sempre più densa. Oltrepassarla e superare quindi la velocità del suono era ritenuto pericoloso. Le nuove tecnologie lo hanno però permesso e sicuramente hai sentito parlare di aerei supersonici che, oltrepassando il muro del suono, causano il bang supersonico. Sai che cosa sono? Aereo a velocità inferiore a quella del suono. Aereo a velocità supersonica che sta per attraversare il muro del suono. Aereo al bang supersonico (sta attraversando il muro del suono). Un improvviso boato fa tremare i vetri delle abitazioni: è un aereo supersonico e tu alzi gli occhi per vederlo, ma è così veloce che probabilmente non riuscirai a vederlo, è già molto lontano. Perché si dice che l aereo è supersonico? E come mai genera un enorme boato che viene detto bang supersonico? Il rumore di un aereo si propaga ovviamente in tutte le direzioni, compresa quella lungo la quale avanza l aereo stesso. Se la velocità di quest ultimo è inferiore a quella del suono, le onde sonore precedono l aereo e se ne allontanano senza creare particolari problemi. Se l aereo è supersonico, ha cioè una velocità maggiore di quella del suono nell aria, le onde sonore meno veloci formano davanti a esso una barriera, detta barriera o muro del suono, tanto più densa quanto maggiore è la velocità. Quando l aereo supera la velocità del suono, infrange questo muro provocando forti perturbazioni che noi percepiamo come un immenso boato, detto bang supersonico. Un aereo supersonico deve avere una struttura particolarmente resistente perché attraversando il muro del suono è sottoposto a vibrazioni molto forti; se vola a bassa quota, il bang supersonico ha un intensità elevatissima che supera la soglia del dolore ed è in grado di frantumare i vetri, di rovinare gli intonaci ecc. La velocità di un aereo supersonico si misura in Mach,1 Mach corrisponde alla velocità del suono nell aria, cioè a 340 m/s ovvero a 1224 km/h. 54
Salute e sicurezza Il rumore è pericoloso turbe psichiche squilibrio tiroideo gastriti ulcere perdita dell equilibrio I l rumore assordante di un aereo che decolla, quello di un martello pneumatico, ma anche il rumore delle automobili in orario di punta, quello degli elettrodomestici che riempiono le nostre case e la musica a tutto volume sono alcune delle principali cause che rendono l ambiente in cui viviamo sempre più rumoroso. Tutto ciò, purtroppo, è dannoso indebolimento vista accelerazioni palpitazioni adrenalina perdita del tono muscolare vasocostrizioni per la nostra salute; si parla infatti di inquinamento acustico per sottolineare come anche il rumore sia da considerarsi dannoso per tutti noi che, secondo gli ultimi dati, per i due terzi della giornata sopportiamo livelli di rumore talmente alti e per tanto tempo da risultare estremamente pericolosi. Nelle strade, ad esempio, l intensità del rumore raggiunge i 100 db e, a volte, li supera! E, come sai, ai 120 db si raggiunge la soglia del dolore. A risentirne non è solo la nostra capacità uditiva, ma tutto l organismo. Un suono o un rumore troppo intenso (superiore ai 100 db), anche se si protrae per breve tempo, può provocare sordità temporanea, nausea, capogiri ed emicrania. Suoni meno intensi (tra i 60 e i 90 db), ma percepiti per tempi abbastanza lunghi, possono portare a una diminuzione della capacità di sentire i suoni, ipoacusia, e causare disturbi nervosi (insonnia, irritabilità, diminuzione della capacità di concentrazione), cardiaci, respiratori, gastrici e intestinali (aumento della secrezione di acidi, con conseguente incremento della probabilità di sviluppare ulcere gastriche e duodenali) ecc. Risulta evidente la necessità di proteggerci dal rumore limitando le fonti dei rumori stessi (riduzione del traffico urbano, imposizione di limiti di rumorosità nei locali aperti al pubblico e durante le pubbliche manifestazioni ecc.) e riportare la rumorosità degli ambienti entro i limiti indicati dall Organizzazione Mondiale della Sanità (vedi tabella). ZONE DIURNO INTERMEDIO NOTTURNO Ospedali, scuole, luoghi di cura e di riposo 50 db 45 db 40 db Residenze urbane 55 db 50 db 45 db Aree urbane con attività commerciali e uffici 60 db 55 db 50 db Aree urbane con traffico intenso, attività artigianali e piccole industrie 65 db 60 db 55 db Aree prevalentemente industriali 70 db 65 db 60 db I danni causati da un eccessivo rumore possono essere prevenuti con adeguati comportamenti individuali quali: evitare i luoghi troppo rumorosi; tenere basso il volume di televisori, radio e stereo; usare le apposite cuffie paraorecchie se si lavora in ambienti rumorosi. Ma anche tu puoi contribuire a non peggiorare la situazione: una moto può essere ugualmente bella anche se non è assordante e una musica può essere piacevole anche se non fa tremare i vetri delle finestre. Evita quindi di assordare i tuoi vicini con l eccessivo volume della televisione, dello stereo o del tuo motorino! 55
FISICA E CHIMICA Le onde sono perturbazioni di tipo oscillatorio, provocate in un mezzo elastico attraverso cui si propaga energia senza trasporto di materia. ampiezza O cresta lunghezza d onda λ ventre O cresta oscillazione completa sinusoide ventre tempo Un onda si rappresenta con una linea, detta sinusoide, nella quale: la cresta è il punto più alto dell onda, il ventre è il punto più basso; l insieme di una cresta e di un ventre costituisce un oscillazione completa; la distanza fra due creste o fra due ventri successivi è la lunghezza d onda (λ), la cui unità di misura è il metro o l ångström; l altezza, misurata perpendicolarmente fra la cresta (o il ventre) e l asse di propagazione dell onda, è l ampiezza. Si chiama periodo (T) il tempo impiegato per compiere un oscillazione completa. Si chiama frequenza (f) il numero di oscillazioni complete nell unità di tempo. L unità di misura è l hertz (Hz), che corrisponde a un oscillazione completa in un secondo. La velocità di un onda è il rapporto tra il tempo impiegato a compiere un oscillazione completa e lo spazio corrispondente a una lunghezza d onda; è data quindi dal prodotto della sua lunghezza d onda per la sua frequenza: v = λ f Un onda si dice trasversale se le particelle oscillano perpendicolarmente alla direzione in cui si propaga l onda; si dice longitudinale se le particelle oscillano nella stessa direzione in cui si propaga l onda. Un onda è meccanica se la sua causa è di tipo meccanico e provoca quindi oscillazioni che si propagano solo attraverso un mezzo. Un onda è elettromagnetica se la sua causa è il movimento di particelle elementari quali gli elettroni e si propaga quindi anche nel vuoto. Il suono è il prodotto delle vibrazioni di un corpo elastico che vengono trasmesse sotto forma di onde longitudinali che si propagano in tutte le direzioni. La propagazione del suono è dovuta alle successioni di compressioni ed espansioni delle molecole del mezzo, che in questo modo formano onde sferiche concentriche, le onde sonore, che allargandosi in tutte le direzioni si propagano fino ad arrivare al nostro orecchio. La frequenza, o altezza del suono, è il numero di oscillazioni complete nell unità di tempo. Essa caratterizza i suoni in gravi, a bassa frequenza, e acuti, ad alta frequenza. L intensità, o volume del suono, rappresenta la quantità di energia trasportata dall onda sonora ed è determinata dalla maggiore o minore ampiezza dell onda sonora. Essa caratterizza i suoni in forti, ad alta intensità, e deboli, a bassa intensità. Il timbro dipende dalla sorgente che ha prodotto il suono e corrisponde a una particolare forma della sinusoide. La riflessione è il fenomeno per cui un onda sonora, incontrando un ostacolo, torna indietro. Se l ostacolo è a una distanza di almeno 17 m, si ha l eco, se è a una distanza minore di 17 m, si ha il rimbombo. La risonanza è il fenomeno di trasmissione delle vibrazioni di una sorgente sonora a un altro corpo che vibra alla stessa frequenza della sorgente sonora. 56
Fra le onde sonore 3 Ricopiale su un quaderno con il loro significato. Onda Sinusoide Periodo Frequenza Velocità Onda trasversale Onda longitudinale Onda meccanica Onda elettromagnetica Suono Intensità Timbro Riflessione Eco Rimbombo Risonanza Cio Ciò che sai 1. Che cosa si intende per onda? 2. Completa le seguenti frasi. a) Un onda si può rappresentare con una linea detta b) Il punto più alto dell onda è detto, il punto più basso è detto c) Si dice oscillazione completa d) La distanza fra due creste o fra due ventri successivi è detta, la sua unità di misura è 3. Completa. a) Il periodo è b) La frequenza è 5. Quando un onda si dice longitudinale? 6. Quando un onda si dice meccanica? 7. Quando un onda si dice elettromagnetica? 8. Vero o falso? Scrivilo accanto a ciascuna affermazione. a) Il punto più alto dell onda è detto ventre. b) L insieme di una cresta e di un ventre si chiama oscillazione completa. c) La distanza fra una cresta e un ventre è detta lunghezza d onda. 9. Completa. a) Il periodo di un onda è b) La frequenza di un onda è c) La velocità è c) La velocità di un onda è 4. Quando un onda si dice trasversale? 57
FISICA E CHIMICA 10. Definisci il concetto di frequenza. 11. Che cos è il suono? 12. Quali sono le caratteristiche complessive di un suono? 13. Come si propagano le onde sonore? 14. In quali corpi il suono si propaga più velocemente? Perché? 15. Completa le seguenti affermazioni. a) La frequenza di un suono è 16. Che cosa si intende per intensità di un suono? Che tipi di suono caratterizza? 17. Che cos è il timbro di un onda sonora? 18. Descrivi il fenomeno della riflessione nei due casi che si possono presentare. b) In base alla frequenza un suono si distingue in se è, in se è 19. Che cos è la risonanza? Cio Ciò che sai fare 20. Quanto vale, in centimetri, la lunghezza d onda delle seguenti onde? a b a) b) c 21. Un onda che si propaga sull acqua compie 3 oscillazioni complete in 6 secondi e la distanza tra due creste successive è di 3,5 m. a) Qual è la sua frequenza? b) E la sua lunghezza d onda? c) 58
Fra le onde sonore 3 22. Disegna un onda che, rispetto a quella a fianco, abbia: a a) la stessa lunghezza d onda ma ampiezza maggiore; b) minore lunghezza d onda ma uguale ampiezza. s 23. Quali dei dispositivi sotto rappresentati generano onde meccaniche e quali onde elettromagnetiche? Scrivilo accanto a ciascun dispositivo. a) Onde b) Onde c) Onde d) Onde e) Onde f) Onde 24. Perché due astronauti nello spazio comunicano a gesti? Segna la risposta esatta. a Perché hanno il casco e non possono sentire. b Perché nello spazio non c è aria. c Perché l aria è disturbata dal vento cosmico. 25. Se vuoi isolare una stanza dai rumori, ne rivesti le pareti con lastre di metallo o con lastre di polistirolo? Perché? 26. Osserva i due disegni. Il ragazzo sentirà in modo più chiaro il ticchettio dell orologio nella figura a o nella figura b? Perché? a) b) 27. Quanto tempo impiega un onda sonora a percorrere 4 km nell aria, nell acqua e nel ferro? 28. Un suono si è originato all estremità di una sbarra di marmo lunga 950 m. Se arriva all altra estremità dopo 0,25 secondi, qual è la velocità del suono nel marmo? 59
FISICA E CHIMICA 29. Osserva i grafici e completa le frasi. a b a) Nei due grafici è diversa b) Il suono del grafico a è quindi c) Il suono del grafico b è invece 30. Osserva i grafici e completa le frasi. a) Nei due grafici è diversa b) Il suono del grafico a è quindi c) Il suono del grafico b è invece a b 31. La frequenza di un onda sonora è di 25 Hz. Completa: a) In 5 secondi l onda compie oscillazioni complete. b) Per compiere un oscillazione completa impiega 32. Che cosa differenzia i suoni rappresentati dai seguenti grafici? a) b) c) d) Qual è quello prodotto da un diapason? Perché? 33. Osserva il disegno e rispondi alle domande. a) Se la parete si trova a 12 m di distanza dal ragazzo, quale fenomeno si può verificare? b) E se fosse a 23 m di distanza? 34. L eco di uno sparo ci giunge all orecchio dopo 3 secondi. A quale distanza il rumore dello sparo ha incontrato l ostacolo che ne ha causato la riflessione? 35. Quale fenomeno è rappresentato nella figura a fianco? Come devono essere i due diapason affinché il fenomeno si verifichi? 60