I fenomeni ondulatori

In fisica l'onda è la propagazione dell'energia nello spazio a partire da una sorgente di origine, senza alcun trasporto di materia.

Può trattarsi di un'onda sonora, di un'onda elettromagnetica, di un'onda del mare, ecc. Indipendentemente dalla loro natura o dal mezzo di propagazione ( vuoto, solido, liquido ) le onde rispondono sempre alle stesse leggi della fisica e sono studiati dalla meccanica ondulatoria.

Le caratteristiche dell'onda

Un'onda è un'oscillazione che ha origine da una sorgente.

In ogni onda c'è una grandezza fisica che varia periodicamente nel corso del tempo.

Ad esempio, in un'onda d'acqua varia l'altezza dell'acqua mentre in un'onda elettromagnetica l'intensità del campo elettrico.

Perché le onde non trasportano la materia? Se non fosse così le onde del mare dovrebbero sommergere la costa. In realtà, l'acqua oscilla verticalmente. La massa d'acqua non si sposta orizzontalmente. Per questo motivo un galleggiante viene spinto soprattutto verso l'alto al passaggio di un'onda, non viene trasportato dalle onde. Ad esempio, nella seguente simulazione di PhET si può osservare il comportamento delle onde su una corda che trasportano l'energia meccanica senza però spostare la materia di cui è composta la corda.

Le caratteristiche delle onde

Le principali caratteristiche del moto ondulatorio sono le seguenti:

• Ampiezza d'onda (A). L'ampiezza d'onda è la variazione massima della grandezza oscillante ossia l'altezza dell'onda fino alla cresta. Per generare un'onda di ampiezza maggiore occorre impegnare maggiore lavoro. Pertanto, le onde con ampiezza maggiore trasportano più energia.

  Esempio. Le onde del mare più alte sono generate dai venti più forti.

• Lunghezza d'onda ( λ ). La lunghezza d'onda è la distanza minima tra due creste ( picchi ) o due ventri successivi dell'onda. Viene misurata in metri, ossia di spazio percorso.
  

  Nota. La frequenza ( v ) e la lunghezza d'onda ( λ ) sono inversamente proporzionali. A parità di velocità di propagazione, se aumenta la frequenza si riduce la lunghezza d'onda. E viceversa.

• Frequenza ( v ). La frequenza è il numero di oscillazioni in un secondo. Si misura in hertz ( Hz ) ed è uguale all'inverso del periodo.
  

  Esempio. Se un'onda compie un'oscillazione completa in T secondi, la frequenza dell'onda è uguale a 1/T.
  

• Periodo ( T ). Il periodo è l'intervallo di tempo di un'oscillazione completa dell'onda ( es. tra due picchi superiori o tra due ventri ). E' misurato in secondi.

  Nota. A differenza della lunghezza d'onda, nel periodo si misura il tempo ( secondi ) di un'oscillazione completa e non lo spazio percorso.

• Velocità di propagazione ( s ). E' la velocità di spostamento dell'onda nella direzione di propagazione. E' uguale al rapporto tra la lunghezza d'onda ( λ ) e il periodo ( T ) di un'oscillazione completa. Si misura in metri al secondo.
  

  Nota. La velocità di propagazione dell'onda dipende dal mezzo materiale in cui si propaga ( aria, acqua, solido, ecc. ). La massima velocità di propagazione si registra nelle onde elettromagnetiche che possono viaggiare anche nel vuoto, senza alcun mezzo materiale di propagazione, alla velocità della luce. Circa 299 mila chilometri al secondo.

I fenomeni ondulatori

I principali fenomeni ondulatori sono i seguenti:

• La riflessione. Quando un'onda incontra un ostacolo viene riflessa all'indietro.
• La rifrazione. Quando un'onda passa da un mezzo a un altro con diversa densità, muta la velocità e la direzione di propagazione.
• La diffrazione. Quando un'onda incontra un ostacolo o un foro di dimensioni pari o inferiori alla lunghezza d'onda, si propaga anche in direzioni diverse rispetto all'onda incidente.
• L'interferenza. Quando due o più onde si incontrano lungo il cammino, generano un'onda di ampiezza pari alla somma algebrica delle intensità. L'onda risultante può essere di intensità maggiore, inferiore o nulla.
• La risonanza. Quando un'onda anche di piccole dimensioni perturba un sistema oscillante alla stessa frequenza di risonanza, l'ampiezza dell'oscillazione del sistema tende ad aumentare progressivamente.