Che cosa sono le onde in fisica e qual è l'equazione delle onde?

Lancia un sasso in uno stagno: le onde si allargano fino alla riva. Una foglia che galleggia sale e scende al passaggio di ogni onda, ma non arriva alla riva insieme a loro. È questa l'idea chiave: un'onda trasporta energia, non materia. L'acqua oscilla soltanto attorno al suo posto.

Ci sono due modi di oscillare:

• Onde trasversali: l'oscillazione è perpendicolare alla direzione di propagazione. Le onde nell'acqua, un'onda lungo una corda e la luce sono trasversali. Hanno punti alti, le creste, e punti bassi, i ventri (o gole).
• Onde longitudinali: l'oscillazione avviene avanti e indietro nella stessa direzione della propagazione. Il suono è longitudinale. Le particelle si addensano nelle compressioni e si allontanano nelle rarefazioni. Spingi e tira un'estremità di una molla tipo slinky tesa e lo vedrai.

Le onde si distinguono anche per il mezzo. Le onde meccaniche, come il suono, le onde del mare e le onde sismiche, hanno bisogno di un mezzo materiale. Le onde elettromagnetiche, come la luce e le onde radio, attraversano anche il vuoto. Per questo nello spazio non c'è suono, mentre la luce del Sole ci raggiunge. Vedi lo spettro elettromagnetico.

Ogni onda si descrive con poche grandezze:

• Ampiezza: il massimo spostamento di un punto dalla posizione di equilibrio. Si misura dalla linea centrale fino a una cresta, non dal ventre alla cresta. Più ampiezza vuol dire più energia: un suono più forte o un'onda più alta.
• Lunghezza d'onda (λ): la lunghezza di un'onda completa, per esempio da una cresta alla successiva. Si misura in metri.
• Frequenza (f): quante oscillazioni complete passano per un punto ogni secondo, in hertz (Hz). 50 Hz sono 50 oscillazioni al secondo.
• Periodo (T): il tempo di un'oscillazione completa, in secondi. T = 1 : f, quindi un'onda di 4 Hz ha un periodo di 0,25 s.

Sono legate dall'equazione delle onde:

velocità = lunghezza d'onda · frequenza, v = λ · f (oppure v = λ : T)

Se ogni secondo ti passano davanti 3 onde lunghe 2 m ciascuna, ogni secondo passano 6 m di onda: la velocità è 6 m/s. Per uno stesso tipo di onda in uno stesso mezzo la velocità è circa fissa, quindi più frequenza significa lunghezza d'onda più corta.

Il suono e l'udito. Quando qualcosa vibra, spinge l'aria e crea compressioni e rarefazioni che si propagano a circa 340 m/s. Nell'orecchio il suono fa vibrare il timpano. Tre ossicini (martello, incudine e staffa) portano la vibrazione alla coclea, un tubicino a spirale pieno di liquido dove le cellule ciliate la trasformano in segnali nervosi per il cervello. La frequenza decide l'altezza del suono (acuto o grave), l'ampiezza la sua intensità (forte o debole). I ragazzi di solito sentono da circa 20 Hz a 20 000 Hz; il limite superiore spesso si abbassa con l'età. Sopra i 20 000 Hz ci sono gli ultrasuoni: li usano pipistrelli e delfini, e i medici per le ecografie.

Per misurare la velocità del suono, mettiti a una distanza nota da un grande muro, batti le mani e cronometra l'eco: il suono va e torna, quindi velocità = (2 · distanza) : tempo. In una vaschetta ondoscopica si misura la lunghezza d'onda con un righello su più onde e la frequenza contando le onde per 10 secondi.

Che differenza c'è tra onde trasversali e longitudinali?#

Nelle onde trasversali l'oscillazione è perpendicolare alla direzione di propagazione, come nelle onde dell'acqua o nella luce. Nelle longitudinali avviene nella stessa direzione della propagazione, come nel suono, con compressioni e rarefazioni.

Qual è l'equazione delle onde?#

v = λ · f: velocità (m/s) = lunghezza d'onda (m) per frequenza (Hz). Poiché f = 1 : T, vale anche v = λ : T. Funziona per ogni tipo di onda, dal suono alla luce.

Che cos'è la lunghezza d'onda?#

È la lunghezza di un'onda completa: la distanza fra due creste vicine (o fra due compressioni vicine). Il simbolo è la lettera greca λ, lambda.

Come sentiamo le onde sonore?#

Il suono fa vibrare il timpano. I tre ossicini portano la vibrazione alla coclea, dove le cellule ciliate la trasformano in segnali nervosi che il cervello percepisce come suono.

Quali frequenze sente l'orecchio umano?#

Da circa 20 Hz a 20 000 Hz nei ragazzi. Sotto ci sono gli infrasuoni, sopra gli ultrasuoni. I rumori molto forti possono danneggiare per sempre le cellule ciliate.

Il suono si propaga nello spazio?#

No. Il suono è un'onda meccanica e ha bisogno di particelle che si passino la vibrazione. Lo spazio è quasi vuoto, quindi è silenzioso. La luce e le onde radio invece lo attraversano.