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Le onde e il suono



Le Onde



Onda è un termine del linguaggio comune, ma in fisica il suo significato è più articolato:

  • l'onda è una perturbazione che si propaga nello spazio

  • l'onda trasporta energia da un punto all'altro, ma non trasporta massa

Molti fenomeni della vita di tutti i giorni ci possono aiutare a chiarire meglio il significato fisico di onda. L'esempio più immediato è il sasso lanciato nel lago: appena il sasso entra nell'acqua vediamo formarsi sulla superficie delle increspature che si diffondono dal punto dove è entrato il sasso. Il sasso ha generato una perturbazione che non è rimasta circoscritta ma si è propagata nei punti vicini, la perturbazione propagandosi non porta con sé la massa d'acqua, ma solo il movimento creato dall'entrata del sasso. Se l'onda propagandosi trasportasse materia potrebbe accadere che l'acqua si sposti verso le sponde svuotando il lago al centro (chiaramente sarebbe una situazione non reale).


Tipi di onde



Le onde possono riguardare tantissimi fenomeni, cerchiamo di classificarle con dei criteri.


Natura fisica

  • Onde elastiche: la perturbazione riguarda un corpo elastico. Si propagano solo nei mezzi materiali.

  • Onde elettromagnetiche: possono propagarsi sia in mezzi materiali che nel vuoto, come la luce.


Direzione di propagazione

  • Onde trasversali: il movimento oscillatorio avviene in direzione perpendicolare rispetto alla direzione di propagazione dell’onda.

    Esempio: le onde elettromagnetiche.

  • Onde longitudinali: il moto oscillatorio avviene nella stessa direzione in cui si propaga l’onda.

    Esempio: le onde sonore.


Grandezze caratteristiche



Un'onda si dice periodica se si ripete uguale a intervalli regolari compiendo quindi dei cicli.


Forma d’onda



La parte evidenziata rappresenta un ciclo, un'onda periodica quindi è formata da più cicli.

  • L'ampiezza A dell’onda è uguale alla distanza tra una cresta (il punto più alto) o un ventre (il punto più basso) e la posizione di equilibrio (sull'asse).

  • La lunghezza d’onda è la lunghezza di un ciclo.

  • Il periodo T è l’intervallo di tempo in cui viene compiuta un’oscillazione completa, o anche: il tempo impiegato dall'onda per percorrere una distanza uguale alla lunghezza d’onda.

Il periodo (secondi) e la frequenza (Hertz) sono legati dalla relazione:




Il periodo, la lunghezza d’onda e la velocità di propagazione dell’onda sono legati alla lunghezza d'onda e al periodo dalla relazione:




e alla frequenza da:




Cos'è il suono?



Il suono è costituito da onde longitudinali generate da una sorgente sonora (come ad esempio le corde di una chitarra, le corde vocali o la membrana di un tamburo) e può essere generato e trasmesso solo in un mezzo materiale (gas, solido, liquido) ma non si propaga nel vuoto.

Facciamo un esempio: prendiamo un altoparlante (la sorgente del suono) e osserviamo la figura.


Suono generato da un altoparlante



A sinistra è rappresentata una sezione dell'altoparlante e tre posizioni A, B, C della membrana.


  • Nella posizione A l'altoparlante la membrana è a riposo.

  • nella posizione C la membrana si muove verso l'esterno provocando un aumento della pressione dell'aria. La compressione dell'aria in quella zona si sposta nelle zone adiacenti.

  • Successivamente la membrana torna indietro fino alla posizione B, in questo modo si produce una zona a minor pressione chiamata rarefazione. Anche la rarefazione si diffonde come la compressione nelle zone vicine.


Le ripetute vibrazioni della membrana producono zone in cui l'aria è alternativamente compressa e rarefatta, generando quindi l'onda sonora.

La successione di rarefazioni e compressioni fa sì che le molecole d’aria si spostino avanti e indietro intorno alla loro posizione di riposo, l'onda sonora perciò è un'onda longitudinale.

Osservando in dettaglio la forma d'onda a destra notiamo che la lunghezza d'onda è pari alla distanza tra i centri di due rarefazioni successive.

Cosa succede quando le vibrazioni arrivano all'orecchio? All'interno dell'orecchio è presente una membrana (il timpano) che, quando viene investito dalle compressioni e rarefazioni, vibra. Le vibrazioni del timpano vengono tradotte in "informazioni" dal cervello.

Ricordiamo ancora che le onde non trasportano massa, perciò le onde sonore non trasportano masse d'aria ma solo compressioni e rarefazioni (variazioni di pressione).


L'onda sonora è un'onda longitudinale.

In un'onda longitudinale le particelle oscillano nella stessa direzione in cui si propaga l’onda.



Frequenze udibili



Si considerano onde sonore quelle onde che abbiano una frequenza di oscillazione compresa tra 20 e 20 kHz. Un'onda compresa in questo intervallo ha un suono udibile dall'orecchio umano. I suoni acuti sono quelli vicini al valore massimo di frequenza e come suoni gravi quelli vicini all'estremo inferiore.

Un suono con frequenze inferiori si chiama infrasuono, con frequenze maggiori ultrasuoni.


infrasuoni


frequenze udibili


ultrasuoni



La velocità del suono



Il suono si propaga in tutti i mezzi materiali, non solo nell'aria e in ogni mezzo ha una velocità diversa. La velocità del suono varia anche al variare delle proprietà del mezzo (ad esempio con la sua temperatura).


La velocità del suono in un fluido è:




dove:

  • è il rapporto tra il calore specifico a pressione costante e calore specifico a volume costante. Per l'aria vale k=1,40

  • R è la costante universale dei gas

  • T è la temperatura assoluta del gas

  • M la sua massa molare


Esempio

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  • La velocità con cui si propagano le onde sonore nell'aria è di circa 343 m/s.


  • Si può notare che la velocità del suono nell'aria è proporzionale alla radice della temperatura assoluta:




  • Un suono viaggia più velocemente in un liquido che in un gas e più velocemente in un liquido che in un solido.




Come viaggia un'onda



Possiamo esprimere lo spostamento delle particelle in un moto oscillatorio di un'onda con una funzione goniometrica, tipo il seno o il coseno.

Per un'onda che si muove verso le ascisse positive:




dove A è l'ampiezza e k è il numero d'onda che vale:




Possiamo anche scrivere la funzione in un'altra forma:




dove è la frequenza angolare legata alla frequenza f dalla relazione:



redattore del materiale didattico: Sara Passalacqua