Le onde e il suono

Le onde
Si osserva che gettando un sasso in uno stagno si verificano due fenomeni:

1. Lo sviluppo di cerchi concentrici che si dilatano sempre di più nel tempo 
2. Supponendo di avere un tappo presente vicino al sasso caduto questo verrà trasportato per effetto delle onde generate.

Concludiamo quindi, che un'onda è una propagazione di energia ma non di materia.

Nell'esempio da noi descritto l'acqua è il mezzo materiale in cui si propaga l'onda è il sasso in caduta è la sorgente dell'onda (ovvero la causa che ha generato la propagazione dell'onda).

Ogni qualvolta si parla di propagazione di onde sarà importante specificare il mezzo in cui l'onda si propaga.

Onde trasversali e onde longitudinali

Onde trasversali e longitudinali

Un'onda è definita trasversale quando gli elementi del mezzo materiale si spostano perpendicolarmente rispetto al moto dell'onda.

Un'onda è definita longitudinale quando gli elementi del mezzo materiale si spostano parallelamente  al moto dell'onda.

Le onde periodiche

Si osserva che muovendo su e giù l'estremità di una corda in modo sempre uguale si impiega, ad esempio, 0,50s per una oscillazione completa.L'onda si propaga verso destra e si nota che con l'aumentare del tempo aumenta il numero di oscillazioni complete

1. Dopo 0,5s la corda ha compiuto un'oscillazione completa e l'onda è andata prima verso l'alto e poi verso il basso (da notare il profilo a sinusoide).
2. Dopo un secondo la corda ha compiuto due oscillazioni complete che corrispondono ad una sinusoide che ha compiuto due giri di 360°.
3. Dopo 1,5s le sinusoidi descritte dalla corda sono 3.

Si vede che la sinusoide avanza di 40 cm in 0,5s, alla velocità di v= spazio/tempo= 40:0,5= 80 cm/s.

DEFINIZIONI

• Un'onda periodica ha ogni punto del mezzo materiale che ripete lo stesso movimento a intervalli regolari.
• La lunghezza d'onda λ (lambda) è la minima distanza dopo la quale un'onda periodica torna a riprodursi identica a se stessa (per capire meglio la definizione si pensi alla lunghezza d'onda, foto della corda, come la distanza che intercorre tra due creste dell'onda consecutive).
• L'ampiezza dell'onda periodica è la differenza tra la cresta dell'onda è il suo valore medio (questo è anche detto valore di equilibrio).
• Il periodo T dell'onda periodica è il tempo impiegato dall'onda a descrivere un giro completo. Nell'esempio della corda che abbiamo visto prima, il periodo è 0,5s.
• Frequenza f è il numero di oscillazioni complete chel'onda descrive nell'unità di tempo (cioè 1s). L'Unità di misura di questa frequenza è Hz.
• Velocità di propagazione v la velocità di propagazione λ/T. Abbiamo visto che quando un'onda descrive un giro completo si sposta di una lunghezza pari a λ: questa propagazione avviene con una certa velocità. 

IL SUONO

Concetto base: la sorgente (intesa come il mezzo materiale in cui si propaga il suono) è un corpo che vibra.

Il velocità del suono 

Il suono si può propagare in molti diversi mezzi, quali ad esempio, l'aria, l'acqua, i corpi solidi, l'acciaio etc... ma non si propaga nel vuoto.

Tutte le onde hanno una loro velocità di propagazione che dipende dal materiale in cui si propaga è da altre caratteristiche come temperatura, pressione ecc...

Quando il suono si propaga nell'aria secca (sarebbe aria in assenza di umidità, a 0°C e 1atm di pressione) la sua velocità è 332 m/s.

Le caratteristiche del suono

Un suono ha tre caratteristiche: altezza, intensità e timbro.

• L'altezza distingue un suono più acuto da uno più grave e dipende dalla frequenza dell'onda. Più il suono è acuto e piùla frequenza è alta, viceversa, più il suono è grave più la frequenza è bassa.
• L'intensità distingue un suono ad alto volume da uno a basso volume. L'intensità del suono cresce all'aumentae dell'ampiezza dell'onda.
• Il timbro ci permette di capire se stiamo ascoltando musica generata da un pianoforte o da una tromba. 

L'ECO

Il fenicottero meno dell'eco è dovuto alla riflessione delle onde sonore che si comportano come un  boomerang, e ritornano al mittente, dopo aver rimbalzato su un ostacolo.

L'onda sonora percorre due volte la distanza tra noi e la parete, per cui impiegherà un tempo pari a 2d/v.

Esempio: se urliamo con una parete che dista da noi 20 m (il suono si propaga nell'aria) l'eco lo  percepiremo dopo un tempo t= 40/340= 0,1s.

ONDE E CORPUSCOLI

Per prima cosa occorre capire che cos'è la luce e in tal proposito ci sono due diversi modelli sviluppati da due diversi scienziati.

• Isaac Newton (modello corpuscolare) considera la luce un flusso di particelle microscopiche (impercettibili all'occhio umano) emesse da sorgenti luminose (il sole, una lampada, una stella ecc...) 
• Huygens (modello ondulatorio) considera la luce come un'onda.  

La principale differenza tra le due teorie è che nel modello corpuscolare la luce viene descritta come piccoli proiettili che sono materia i movimento, mentre nel modello ondulatorio la luce è un'onda e quindi è energia non materia.

RIFLESSIONE DELLA LUCE: GLI SPECCHI

La propagazione della luce si studia mediante il modello di raggi di luce che rappresentano la direzione di propagazione dell'onda luminosa.

I raggi di luce si propagano in linea retta fio a quando non incontrano un ostacolo (rappresenteremo i raggi come dei segmenti).

Quando il raggio di luce incide su uno specchio si ha il fenomeno della riflessione che ha due leggi:

- prima legge della riflessione: il raggio incidente, la perpendicolare allo specchio nel punto in cui cade il raggio è il raggio riflesso appartengono allo stesso piano.

-seconda legge della riflessione: l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione. Ricorda però che questa legge è vera se e  soltanto se il raggio si propaga nello stesso mezzo materiale.

Uno specchio piano crea un'immagine fedele dell'oggetto riflesso, ma specchi che sono stati ottenuti da una superficie sferica e che hanno una piccola apertura, riportano una loro geometria che va studiata: 

La prima importante definizione per uno specchio sferico di piccola apertura è quella del fuoco:  questo punto è posto a metà strada tra lo specchio e il suo centro. 

La seconda importante definizione: un raggio che arriva parallelo all'asse di simmetria dello specchio (è detto asse ottico ed è quel segmento che passa per il fuoco è il centro) viene riflesso sul fuoco.  

LA RIFRAZIONE DELLA LUCE

Un'esempio tratto dalla realtà di tutti i giorni è quello di un cucchiaio immerso in un contenitore pieno di acqua che ci appare come fosse piegato. Questo succede perché i raggi di luce riflessi passano dal mezzo materiale aria al mezzo materiale acqua (ricorda che se cambia il mezzo attraverso cui si propaga il raggio la seconda legge della riflessione non vale più.

Distinguiamo due casi:

Caso 1) il raggio passa dall'aria all'acqua: il raggio si piegherà verso la perpendicolare alla superficie di separazione.

Caso2) il raggio passa dall'acqua all'aria: il raggio si allontanerà dalla perpendicolare alla superficie di separazione.

Definizione dell'indice di rifrazione n di un materiale:

È il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto  la velocità della luce nel materiale (le velocità sono espresse in m/s) n= c/v 

Le due leggi della rifrazione 

Vi sono due leggi che descrivono le proprietà della rifrazione quando un raggio passa da un mezzo a un'altro

Prima legge: il raggio incidente, la perpendicolare nel punto in cui incide il raggio è che separa i due mezzi è il raggio rifratto appartengono tutti allo stesso piano.

Seconda legge: il rapporto tra i segmenti OP' e OQ' è costante ed è uguale al rapporto tra gli indici di rifrazione del secondo mezzo e del primo mezzo  OP'/OQ' = n2/n1

I segmenti OP' e OQ' sono individuati tracciando una circonferenza con il centro nel punto O in cui il raggio incide e avviene la rifrazione. Tracciando la circonferenza, questa si intersecherà con i due raggi. La proiezione dei due raggi di intersezione sulla superficie di separazione mi darà P' e Q'.