Onde e suono

Le onde

Un'onda è una perturbazione che si sposta in un mezzo mettendo in movimento progressivamente le particelle che incontra, trasportando energia. In generale, lo spostamento dell'energia è associato al movimento di materia; tuttavia la caratteristica che distingue le onde da tutti gli altri movimenti è che esse trasportano energia senza che vi sia spostamento di materia. Basta osservare un galleggiante posto nell'acqua quando viene investito dall'onda provocata dalla caduta di un sasso: mentre l'onda si propaga verso l'esterno, il galleggiante oscilla su e giù, ma torna sempre nella posizione iniziale.

L'impulso in cui l'energia si trasmette nella stessa direzione in cui oscillano le molecole è detto longitudinale; l'impulso in cui le molecole oscillano nella direzione perpendicolare a quella in cui si sposta l'energia è detto trasversale.
La propagazione di un'onda è resa possibile nei materiali solidi e liquidi dai legami tra le molecole. L'energia trasportata non è altro che la somma delle energie cinetiche e potenziali elastiche di tutte le particelle che si trovano spostate dalla propria posizione di equilibrio. Gli impulsi che si trasmettono su una molla tesa sono di tipo trasversale. L'impulso che viaggia lungo una molla può essere prodotto spostando l'estremità libera dal basso verso l'alto, in modo da formare una cresta. La parte deformata della molla solleva il tratto successivo e riporta nella posizione di riposo quello precedente, facendo così avanzare l'impulso. Se l'estremità libera viene invece compressa, si genera un impulso longitudinale: le spire compresse esercitano forze di segno contrario alle sue estremità; in questo modo esse riportano nella posizione di riposo le spire che le precedono e comprimono quelle che seguono. Un'onda, inoltre, insieme all'energia, trasporta anche informazione, perché una successione di impulsi può contenere una certa quantità di informazioni, come, ad esempio, le onde sonore e quelle elettromagnetiche.
Quando la sorgente di energia sollecita il mezzo a frequenza costante, si genera un'onda periodica. A ogni oscillazione completa della massa, l'onda appare come un susseguirsi di massimi e minimi equidistanti che si spostano tutti alla stessa velocità e mantengono quindi la loro distanza reciproca. La distanza tra due massimi è detta lunghezza d'onda (l); essa è legata alla velocità con cui l'onda si propaga e alla frequenza della sorgente. l è lo spazio percorso e la lunghezza è l'inverso del periodo.
l = vT = v / f (1 / f)
Le quattro proprietà delle onde sono: la riflessione, la rifrazione, l'interferenza e la diffrazione. Queste proprietà possono essere messe in evidenza utilizzando l'ondoscopio formato da una bacinella trasparente piena d'acqua e illuminata dall'alto, sulla quale vengono prodotti diversi tipi di onde. Le creste delle onde funzionano da lente convergente per la luce, che vengono evidenziate, mentre i ventri sono gli avvallamenti, quindi le zone che appaiono più scure. La prima proprietà delle onde che si esamina con l'ondoscopio è la riflessione. La riflessione è il fenomeno per cui un raggio colpisce una superficie lucida e viene riflesso, quindi quando un'onda si riflette su un ostacolo, l'angolo di incidenza (che è quello che il raggio incidente forma con la perpendicolare) e di riflessione (quello che il raggio riflesso forma con la perpendicolare) sono uguali. La rifrazione è la deviazione di direzione che un'onda subisce quando attraversa, in modo obliquo, la superficie di separazione tra due mezzi nei quali si propaga con velocità diverse. La diffrazione è la capacità di un'onda di aggirare un ostacolo: un'onda sull'acqua, ad esempio, quando trova un ostacolo sul suo cammino, tende ad aggirarlo. Il percorso dell'onda è perpendicolare all'ostacolo e praticamente rettilineo.
La diffrazione è quindi tanto più forte quanto più le dimensioni della fenditura si avvicinano alla lunghezza d'onda. Gli ostacoli piccoli rispetto alla lunghezza d'onda vengono completamente aggirati, mentre quelli grandi fanno proseguire l'onda in modo rettilineo. La sovrapposizione è quando due onde passano contemporaneamente nella stessa regione di spazio, quando gli impulsi si incontrano le loro ampiezze si sommano. Dopo essersi incontrati, essi proseguono il loro cammino senza che la loro forma, o la loro velocità, risultino alterate. Se gli impulsi hanno lo stesso verso, lo spostamento risultante è la loro somma e si ha interferenza costruttiva; se hanno versi opposti, lo spostamento risultante è la loro differenza, e si ha interferenza distruttiva. Le linee nodali uniscono invece i punti in cui si ha interferenza completamente distruttiva.

Il suono è un'onda longitudinale di pressione costituita dall'alternarsi di strati di aria compressa a strati di aria rarefatta. Oltre che nell'aria, le onde sonore si propagano nell'acqua e in molti altri mezzi. Passando dai gas ai liquidi e ai solidi, la velocità di propagazione aumenta; ciò sembra dipendere dalla crescente densità che facilita la trasmissione degli impulsi di pressione. In generale, il suono si propaga più velocemente nei materiali rigidi, caratterizzati da un'elevata elasticità. Tutti i corpi che vibrano nell'aria sono sorgenti di onde sonore: esse generano le onde di pressione che, giunte al nostro orecchio, producono la sensazione del suono sollecitando il timpano, una membrana flessibile che chiude il canale auditivo dell'orecchio.
Un sistema molto sensibile di ossicini (l'incudine, la staffa e il martello) trasmette gli impulsi impressi al timpano al liquido contenuto nei due canali della coclea. Tali canali, vibrando, eccitano particolari segmenti della membrana, da cui partono gli impulsi nervosi che vengono riconosciuti come suoni. L'orecchio umano è in grado di distinguere tre caratteristiche del suono: la frequenza, il timbro e l'intensità. La frequenza di un'onda sonora è la stessa della sorgente che la produce; sono poche, tuttavia, le sorgenti sonore che riescono a emettere suoni a una sola frequenza ben definita; una di queste è il diapason. La frequenza, quindi, indica il numero di oscillazioni nell'intervallo di tempo. Il timbro è l'insieme delle armoniche che accompagna l'emissione di una nota a frequenza definita da parte di una sorgente sonora. L'intensità di un'onda sonora è l'energia che essa trasporta nell'unità di tempo attraverso una superficie di 1 m2 posta perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda; si tratta di una potenza per unità di superficie, e la sua unità di misura è il watt/metro quadrato (W/m2)
I = E (energia che trasporta l'onda) / Dt A = Potenza / Area
L'intensità dell'onda emessa da una sorgente isotropa diminuisce con l'inverso del quadrato della distanza dalla sorgente. L'orecchio umano ha la capacità di percepire suoni la cui intensità varia in un intervallo veramente grande: dalla minima intensità udibile, della soglia di udibilità, che è di 10-12 W/m2, alla soglia del dolore, che corrisponde all'incirca a un'intensità di 1 W/m2, a partire dal quale la percezione è accompagnata da una sensazione di sofferenza. Il campo normale di udibilità si estende da 15 Hz a 18 000 Hz = 18 kHz; al di sopra di questa frequenza vi sono gli ultrasuoni, non percepibili dall'uomo ma che possono essere uditi dai cani (fino a 50 kHz) e dai pipistrelli (120 kHz).