Breve presentazione dell'argomento con le relative leggi fisiche. (4° Liceo Scientifico) - Roberto Testa - IV^H Liceo Scientifico "Leonardo" - Giarre (CT). Le onde e il suono, la frequenza, la lunghezza d'onda, la velocità, onde armoniche, riflessione, onde sonore, ultrasuoni, intensità..

1. ONDE E SUONO

2. Le onde
 Fisicamente, l’onda è una perturbazione che si
propaga da un punto ad un altro, nello spazio e nel
tempo, trasportando energia o quantità di moto,
senza comportare un associato spostamento di
materia.
 Le onde, in base alle loro caratteristiche, si
classificano in vari modi, tra cui, secondo la loro
direzione (vettoriale) di propagazione in Onde
Trasversali e Onde Longitudinali.

3.  Onde Trasversali : Lo spostamento delle singole
particelle è perpendicolare alla direzione di propagazione
dell’onda.
Es. : Luce visibile (onda elettromagnetica); Corda
oscillante;
 Onde Longitudinali : Lo spostamento delle particelle è
parallelo alla direzione di propagazione dell’onda.
Es. : Onde Sonore.

4. Lunghezza d’onda, frequenza
e velocità.
 L’onda è una perturbazione regolare che si ripete
periodicamente : i punti del massimo spostamento verso
l’alto sono le creste, i punti più bassi sono i ventri. La
distanza tra un punto massimo o minimo e il successivo,
è detta lunghezza d’onda e si indica con λ (lambda).
 λ = distanza dopo la quale un’onda si ripete.
 Il tempo necessario affinché un’onda si ripeta, è
chiamato periodo (T), e la frequenza (come nel moto
armonico) è f = 1/T.
 Dato che spazio/tempo = velocità, λ (spazio) / T (tempo) =
v (velocità). La velocità si può anche avere con la formula
inversa v = λf

5. Onde su una corda
 La velocità di propagazione di un’onda dipende dalle proprietà
del mezzo attraverso cui si propaga. In una corda di lunghezza L,
la velocità dell’onda è determinata dalla sua tensione e dalla sua
massa.
 F = Tensione : forza trasmessa attraverso la corda.
 Affinché un’onda si propaghi su una corda, deve esserci una
tensione nella corda. Se la tensione aumenta (mantenendo la
corda più tesa), le onde viaggiano più velocemente lungo la
corda.
 Maggiore è la massa della corda, minore sarà la velocità di
propagazione dell’onda; ma ciò che importa è la massa per unità
di lunghezza (densità lineare, che indichiamo con “μ” -miu-),
quindi il rapporto m/L.
 V aumenta con la tensione F e diminuisce con la densità lineare
μ. V = sqrt F/ μ

6. Riflessione
 Quando l’onda raggiunge l’altro estremo della
corda, può essere invertita o no, in base alla
modalità con la quale avviene la riflessione.

7. Funzione d’onda armonica

9. Onde sonore
 Il suono è un’onda che si propaga attraverso
l’aria (con T.a. = 20°C) ad una velocità di 343
m/s.
N.B.: La velocità di propagazione del suono è determinata dalle proprietà
del mezzo attraverso il quale si propaga e, applicando la teoria cinetica dei
basi, è collegata alla velocità delle molecole.
 Se l’aria viene riscaldata, le molecole si muovono più rapidamente, e
quindi la velocità di propagazione del suono aumenta.
 In un materiale, la velocità di propagazione del suono è determinata
dalla rigidità del materiale : più rigido è il materiale, più veloce è
l’onda sonora.

10. L’onda sonora provoca una perturbazione nella
densità e nella pressione dell’aria.
Quando la densità è elevata, anche la pressione
è elevata; quando la densità è bassa, anche la
pressione è bassa (il grafico è lo stesso).

11. La frequenza di un’onda
sonora
 La frequenza determina il tono di un suono.
 Ad esempio, i tasti di un pianoforte
producono suoni con frequenze che vanno da
55Hz (il più grave) fino a 4187 Hz (il più acuto).
 L’intervallo di frequenze udibili dall’essere
umano è tra i 20 Hz e i 20000 Hz : i suoni che
hanno frequenze maggiori di 20000 sono
detti ultrasuoni, quelli con frequenze minori
di 20, infrasuoni.

12. Esempi di ultrasuoni
Gli ultrasuoni, ad esempio, vengono prodotti dai pipistrelli, grazie ai
quali riescono a muoversi nel loro ambiente e ad individuare le prede.
Gli ultrasuoni sono pure utilizzati nelle applicazioni mediche, come
l’ecografia o piccole operazioni, come la litotripsia a onda d’urto, dove il
corpo è bombardato da ultrasuoni per l’eliminazione di un calcolo
renale.
Gli elefanti, invece, possono comunicare tra loro attraverso degli
infrasuoni alla frequenza di 15Hz.
Alcune meteore ‘invisibili’, possono essere localizzate appunto
attraverso ultrasuoni, come accadde in Messico nel 1997 con una
meteora che attraversò il cielo.

13. Intensità del suono
 La quantità di energia che passa attraverso
una data area in un definito intervallo di
tempo è l’intensità del suono.
 I = E / A*t
 P (potenza) = E (energia) / t (tempo)
 I = P / A (area)
 Questo concetto è valido per tutte le onde.

14.  Quando ci si allontana dalla sorgente sonora,
l’intensità del suono diminuisce, perché
l’energia emessa dalla sorgente si distribuisce
su un’area maggiore.
 Area di una sfera di raggio r : A = 4 π r2
 Intensità in funzione della distanza da una
sorgente puntiforme : I = P / 4 π r2

15. La percezione umana del suono
 Intervallo di frequenze udibili : 20 Hz – 20000 Hz
 Se il ‘volume’ di un suono aumenta, aumenta la sua
intensità, quindi il volume è misurato attraverso il
livello d’intensità dell’onda.
 β(livello di intensità) = (10 dB) log (I/Io)
 dB = decibel.
Minimo valore dell’intensità di un suono :
10-12 W/m2
 Dato che il bel è un’unità piuttosto grande, si utilizza
solitamente il decibel (dB) che è uguale a 1/10 b.
 Il più piccolo aumento di intensità percepibile
dall’orecchio umano è di circa 1 dB.