Cap. 8 Le onde 8.1 Le onde Noi siamo continuamente circondati da onde (fig.1) anche se non ce ne accorgiamo. La luce che ci raggiunge da una fonte luminosa è un onda, il suono che ci arriva da una radio o apparecchio TV è anch essa un onda, la stessa TV non potrebbe trasmettere nulla se non vi arrivassero segnali sotto forma di onde. Per non parlare delle onde del mare che sono quelle più facili da visualizzare. Ma cosa è un onda? Immaginiamo una superficie di acqua essa appare perfettamente liscia. Se però vi facciamo cadere una goccia d acqua osserviamo immediatamente delle increspature concentriche che partono dal punto in cui essa è caduta e si allontanano (fig.2). Possiamo facilmente constatare che non si genera una sola increspature ma tante che si succedono in serie, questo ci fa capire che l acqua, nel punto in cui è caduta la goccia, continua ad oscillare anche se la causa di queste oscillazioni (la goccia) non c è più. Chiamiamo onde queste oscillazioni che si propagano nell acqua 8.1.1 Le onde non trasportano materia Continuiamo a fissare la mostra attenzione alle onde che si propagano sulla superficie dell acqua e chiediamoci se l acqua si muove in orizzontale (il movimento verticale è evidente perché noi osserviamo la superficie dell acqua alzarsi e abbassarsi). Per fare questo basta prendere un galleggiante e vedere quello che succede. Osserviamo che il galleggiante si sposta dal basso verso l alto ma rimane al suo posto. Questo indica che non c è trasporto di acqua perciò la perturbazione trasporta energia ma non materia. 8.1.2 Definizione di onda Si definisce onda una perturbazione oscillatoria originata da una sorgente che si propaga nello spazio trasportando energia senza un contemporaneo trasporto di materia 8.2 Caratteristiche di un onda Immaginiamo di attaccare una coda ad un gancio e di prendere l altra estremità e di oscillarla in verticale senza fermarci (fig. 3). Si genera quella che si chiama onda periodica e la forma che assume si chiama sinusoide. Si chiamano periodiche quelle onde che si ripresentano identiche dopo un certo periodo di tempo. Queste onde sono interessanti perché sono le più comuni e se ne prendiamo un istantanea siamo in grado di individuare quelli che sono gli elementi caratteristici di un onda. Innanzitutto individuiamo parti più elevate e parti più basse. Chiamiamo cresta la parte più alta e ventre la parte più bassa. L insieme di una cresta e di un ventre costituisce l oscillazione completa. La distanza fra due creste o due ventri prende il nome di lunghezza d onda ( ). La distanza verticale che separa la cresta o un ventre dalla situazione di riposo prende il nome di ampiezza dell onda (A) (fig. 5). Chiamiamo periodo (T) il tempo necessario a compiere un oscillazione completa. Chiamiamo frequenza (f) il numero di oscillazioni che un onda compie in un secondo. La frequenza si misura in hertz (Hz). Si definisce hertz la frequenza di un onda che ha un oscillazione al secondo; le dimensioni sono [ ] Il periodo e la frequenza sono legati dalla seguente relazione Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6
Se io osservo un onda in un periodo completo osservo un oscillazione completa ma se io focalizzo la mia attenzione su una cresta vedo la posizione della cresta diventare prima ventre e poi nuovamente cresta. Questo significa che in un periodo T l onda si è spostata di uno spazio pari alla lunghezza d onda. Si definisce velocità dell onda il rapporto fra la lunghezza d onda ( ) e il periodo T. Sostituendo la 8.2 nella 8.3 (cioè che 1 fratto T è uguale alla frequenza f ottengo la 8.4 Fig. 7 La velocità di un onda è data dal prodotto della lunghezza d onda per la frequenza. 8.3 Onde trasversali Se io prendo in considerazione un onda generata da un sasso lanciato su uno stagno osservo che mentre le onde si propagano sulla superficie la perturbazione è perpendicolare alla direzione di propagazione dell onda. Fig. 8 Chiamo questo tipo di onde trasversali (fig. 6). Si definiscono trasversali quelle onde che oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell onda. 8.4 Onde longitudinali (fig.7) Questa volta al muro fissiamo una molla e immaginiamo di prendere l altro estremo e di muoverlo avanti e indietro. Così facendo si genereranno delle zone di compressione e rarefazione che si propagheranno lungo la molla, questo Fig. 9 significa che le particelle della molla oscilleranno nella stessa direzione con cui si propaga l onda. Chiamo chiamiamo questo tipo di onda longitudinale. Si definiscono longitudinali quelle onde che oscillano nella stessa direzione di propagazione dell onda. 8.5 Onde meccaniche Si definiscono onde meccaniche quelle onde che per propagarsi necessitano Fig. 10 di in mezzo materiale. Ne sono un esempio le onde del mare, il suono, le onde sismiche (fig.9). 8.6 Onde elettromagnetiche Si definiscono onde elettromagnetiche quelle onde che per propagarsi non necessitano di in mezzo materiale (si propagano quindi anche nel vuoto). Fig.11 Ne sono un esempio la luce, le onde radio, i raggi X (fig. 10). 8.7 Il suono Si definisce suono l insieme delle onde longitudinali generate da un oggetto che vibra (es. una corda di violino) detto sorgente sonora. Il suono, essendo un onda meccanica, può propagarsi solo all interno di un mezzo materiale e non può propagarsi nel vuoto. Per avere un idea di come Fig. 12 possa prodursi un suono basta mettere la mano vicino ad un altoparlante di uno stereo, durante la produzione del suono noi sentiamo che l altoparlante vibra e questo produce nell aria zone di compressine e dilatazione che si propagano allontanandosi dalla sorgente. (Tutto questo ci ricorda da vicino ciò che abbiamo visto nella molla). Queste si propagano sfericamente nello spazio originando l onda sonora (fig. 11) La lunghezza d onda di un onda sonora è data dalla distanza che separa due zone di compressione. Fig. 13 Ma come facciamo a sentire il suono? Quando le onde sonore arrivano al nostro orecchio fanno vibrare una membrana chiamata timpano con le stesse caratteristiche dell onda sonora. Questo moto è tradotto in suono dal cervello
8.8 Velocità del suono La velocità del suono dipende dal mezzo in cui si propaga pertanto essa sarà molto diversa a seconda dei materiali attraversati (fig. 12). In prima approssimazione essa dipende dallo stato fisico del mezzo (solido, liquido e gas) viaggiando più velocemente nei solidi e meno nei gas. Nell aria è di circa 340 m/s (dipende dalla temperatura e umidità dell aria), in acqua è di circa 1500 m/s (dipende dalla temperatura e dalla salinità), nell acciaio 550 m/s. 8.9 La frequenza del suono Si definisce frequenza di un suono il numero di lunghezze d onda che attraversano un punto dello spazio in un secondo.es. se un suono ha una frequenza di 100 Hz significa che in un secondo un punto dello spazio subisce 100 cicli di rarefazione e compressione (fig. 13). 8.10 Suono puro e non Quando facciamo vibrare un diapason noi otteniamo un suono puro e l aspetto dell onda sonora è simile a quello classico. Qualsiasi altro strumento musicale però emette un suono più complesso in cui insieme alla frequenza fondamentale sono riconoscibili altre onde dette armoniche che modificano profondamente l aspetto dell onda. In questo caso il suono si dice complesso. Se nell onda sonora non riusciamo a distinguere alcuna regolarità abbiamo il rumore. 8.11Campo di udibilità Noi riusciamo a percepire suoni che vanno da 20 Hz a 20000 Hz. È possibile generare suoni a frequenza minore o maggiore del campo di udibilità (fig. 16). I primi si chiamano infrasuoni mentre i secondi ultrasuoni. Queste frequenze sono utilizzati da altri animali, ad es. i pipistrelli emettono tutta una serie di ultrasuoni che gli permettono di orientarsi nello spazio captando gli echi di ritorno, mentre i rinoceronti percepiscono gli infrasuoni 8.12 Ampiezza e volume del suono Le zone di compressione di un onda sonora causano un aumento di pressione. La differenza fra la pressione nella zona di compressione e la pressione normale determina l ampiezza del suono. Noi percepiamo questa ampiezza come volume del suono (fig. 17). Quando l ampiezza è bassa il volume è basso e il suono trasporta poca energia, quando l ampiezza è alta, il volume è alto e il suono trasporta una quantità di energia maggiore. 8.13 Decibel Il decibel è un' unità di misura utilizzata per misurare il livello di pressione sonora(cioè l intensità o volume del suono). Il decibel prende come riferimento i il valore di volume minimo udibile dall uomo a cui viene assegnato il valore di 0 db (db è il simbolo di decibel), tutti gli altri valori si basano sempre su un valore minimo che è usato come riferimento. La scala è fatta in modo che il volume di 1 db corrisponde a un suono 10 volte maggiore di quello minimo udibile dall uomo 8.13.1 Soglia del dolore Ovunque si sentono suoni, anche il silenzio di un bosco ha i suoi decibel ( 20 db), a questo livello il suono da una sensazione di benessere ma man mano che aumenta il volume si possono avvertire fastidi fino a d arrivare alla soglia del dolore a circa 130 db (fig. 18). Senza arrivare alla soglia del dolore anche valori più bassi ma prolungati nel tempo possono causare seri problemi. Secondo le norme di sicurezza del lavoro abbiamo: 90 db - danni con 8 ore al giorno 100 db - danni con 2 ore al giorno 110 db - danni con 30 minuti al giorno 120 db - danni con 7,5 minuti al giorno Fig. 14 Fig. 15 Fig. 16 Fig. 17 Fig. 18
8.13.2 Danni da esposizione al rumore I danni biologici da esposizione a rumore eccessivo possono essere diversi: Ipoacusia (diminuzione della capacità di sentire suoni) 2. Disturbi nervosi (insonnia, irritabilità, diminuzione di concentrazione) 3. Disturbi cardiaci 4. Disturbi respiratori 5. Disturbi gestrici 6. Disturbi intestinali 8.13.3 Prevenzione Ci sono dei comportamenti che si possono tenere per prevenire i danni da rumore (fig. 19): 1. Isolare le abitazioni attraverso assorbenti acustici se si vive vicino a zone rumorose (strade a scorrimento veloce, aeroporti, ferrovie, zone industriali) 2. Evitare luoghi troppo rumorosi 3. Tenere basso il livello di televisori, radio e stereo 4. Usare le apposite cuffie paraorecchie se si lavora in ambienti rumorosi 8.14 L eco e il rimbombo L'eco è un fenomeno acustico dovuto alla riflessione delle onde sonore da parte di un ostacolo. Per verificarsi è necessario che si verificano alcune condizioni, ad esempio la distanza dell ostacolo debba essere maggiore di 17 metri visto che la distanza percorsa del suono nel tempo necessario a pronunciare una parola è di almeno 34 m. Se la distanza è minore si udirà solo un fastidioso rimbombo. Questo fenomeno di riflessione delle onde sonore viene anche sfruttato in alcuni strumenti come il sonar (fig. 21) (per misurare in acqua la distanza degli oggetti e gli strumenti per ecografia (fig. 22). 8.15 L effetto doppler L'effetto Doppler è un cambiamento apparente della frequenza o della lunghezza d onda che dipende dal moto fra sorgente sonora e osservatore. L effetto prende il nome da Christian Andreas Doppler, che nel 1845 verificò la sua analisi in un famoso esperimento: si stese accanto ai binari della ferrovia, e ascoltò il suono emesso da un vagone pieno di musicisti, assoldati per l'occasione, mentre si avvicinava e poi mentre si allontanava. Confermò che l'altezza del suono era più alta quando l'origine del suono si stava avvicinando, e più bassa quando si stava allontanando La vita quotidiana offre una vasta gamma di casi in cui è applicato l effetto doppler: ambulanze, clacson ecc. Tutti quanti abbiamo sentito che la sirena di un ambulanza produce un suono più acuto mentre si avvicina e un suono più grave mentre si allontana (fig. 23). L effetto doppler viene usato anche in astronomia per misurare la velocità con cui stelle e galassie si avvicinano o si allontanano da noi ( la luce appare più blu se si avvicina e più rossa se si allontana), e in alcune forme di radar per misurare la velocità di determinati oggetti rilevati (fig. 24). 8.16 Il muro del suono e il bang supersonico Si parla di muro del suono perché la resistenza dell aria aumenta sempre di più con l aumentare della velocità dell aereo, e diventa elevatissima (quasi una barriera fisica) quando la velocità si approssima a Mach 1 (una velocità uguale a quella del suono). Quando si raggiunge questa velocità le molecole d aria non fanno più in tempo a spostarsi per lasciare spazio all aereo e vengono urtate, provocando il famoso fenomeno del bang sonico. Il primo uomo che superò il muro del suono fu il generale americano Chuck Yeager, su un Bell X-1 (fig. 25), il 14 ottobre 1947. Yeager descrisse così la sua esperienza: A un certo punto l ago del machmetro cominciò a oscillare: Fig. 19 Fig. 20 Fig. 21 Fig. 22
salì a 0,965 e di colpo superò il limite e ci fu un silenzio assoluto). Qualche anno fa Leonard Weinstein, della Nasa, fotografò l onda d urto sfruttando il diverso modo in cui la luce attraversa gli strati d aria a seconda della loro densità. Fig. 23 Fig. 24 Fig. 25 Fig. 26 Fig. 27