I fenomeni ondulatori
In Fisica i tipi di onde che possiamo trovate sono diversi e li classifichiamo sulla base delle loro proprietà oltre che al mezzo e al modo in cui si propagano. A livello generale definiamo onda la perturbazione prodotta da una sorgente e che si propagano in un mezzo effettuando un trasferimento di energia e quantità di moto ma non di materia.
Per quanto ogni tipologia di onda abbia delle caratteristiche peculiari ci sono dei fenomeni che risultano comuni a tutte. Vale a dire la riflessione, che si verifica quando le onde incontrano una superficie che le fa tornare indietro, e la rifrazione, cioè il cambio di direzione nel momento in cui c’è un cambio di mezzo.
La prima distinzione fra i tipi di onde
Cominciamo a distinguere fra le onde definendo due categorie molto ampi: onde meccaniche e onde elettromagnetiche.
La particolarità di queste ultime è quella di non aver bisogno di alcun mezzo per propagarsi, mentre nel caso delle onde meccaniche questo è fondamentale.
Può trattarsi di acqua, aria, una corda o una sbarra di metallo, mentre invece i fenomeni elettromagnetici avvengono anche nel vuoto.
Pensiamo per esempio alle radiazioni delle stelle, che viaggiano nello spazio cosmico che ha una densità quasi nulla.
Concentriamoci dunque sulle onde elettromagnetiche, che al loro interno raggruppano diversi fenomeni come la luce visibile, l’infrarosso, le onde radio, i raggi X e le radiazioni gamma.
Le suddividiamo in queste classi basandoci sulla loro lunghezza d’onda, che indichiamo con il simbolo λ e che misuriamo con multipli e sottomultipli del metro. Dato che si tratta della grandezza reciproca della frequenza possiamo analizzarla anche secondo questo parametro.
Nel loro complesso questi tipi di onde compongono le spettro elettromagnetico, di cui a occhio nudo noi non percepiamo che una minuscola frazione.
Le onde elettromagnetiche interagiscono con atomi e molecole tramite il fenomeno dell’assorbimento.
In base alla frequenza della radiazione assorbita da questo contatto possono derivare effetti diversi. Nel caso delle microonde possono verificarsi delle rotazioni all’interno della struttura delle molecole, mentre i raggi X possono arrivare a espellere gli elettroni dall’atomo.
La classificazione in base alla direzione di propagazione
Tornando alle onde meccaniche, dividiamo in due categorie questi tipi di onde in base a come si propagano nel mezzo. Abbiamo infatti onde trasversali se la loro oscillazione risulta perpendicolare rispetto alla direzione in cui si propagano.
Un fenomeno ondulatorio di questa tipologia si caratterizza, oltre che per lunghezza, frequenza e ampiezza dell’onda, per i punti di massima e minima oscillazione. I primi si definiscono creste, i secondi invece valli.
Se consideriamo il caso di un’onda trasversale che si propaga lungo una corda tesa bisogna considerare il concetto di densità lineare μ, ovvero il rapporto tra massa e lunghezza della corda.
La velocità di propagazione dell’onda infatti sarà data dalla radice quadrata del rapporto fra il suo periodo e la densità lineare della corda.
In formula perciò v = √T/μ.
Abbiamo però nominato due tipi di onde, trasversali e longitudinali.
Queste ultime si caratterizzano perché l’oscillazione delle particelle del mezzo avviene nella stessa di direzione lungo cui si propaga l’onda.
Per fare un esempio pratico possiamo pensare al caso di una molla che subisce compressione o allungamento, ma anche le onde sonore si propagano in senso longitudinale. Se due onde di questo tipo si incontrano nello stesso punto al medesimo istante le loro ampiezze possono sommarsi.
I tipi di onde in base al fronte dell’onda
Con fronte d’onda ci riferiamo al luogo geometrico dei punti dello spazio che vibrano simultaneamente in un dato istante quando li raggiunge la perturbazione.
Tipi di onde diversi generano forme varie di fronti d’onda, di cui distinguiamo tre tipologie principali: piatto, circolare, sferico e rettilineo.
Nel primo caso, le onde piane i fronti d’onda consistono in piani paralleli fra di loro.
Le onde circolari invece hanno circonferenze concentriche, come avviene quando una goccia tocca una superficie di liquido.
Quando parliamo di onde sferiche invece i fronti d’onda sono tridimensionali e consistono in sfere concentriche che si allontanano via via dalla sorgente.
Infine ci sono le onde rettilinee, dove i fronti d’onda appaiono come linee parallele.
Le onde stazionarie
Lo stesso succede pizzicando la corda di uno strumento come una chitarra o un banjo.
L’oscillazione non coinvolge i nodi, che coincidono con i limiti di propagazione dell’onda. Tuttavia a seconda di come vibra la corda può capitare di osservare anche più nodi al suo interno, arrivando anche a quattro punti fissi.
Definiamo allora i modi normali di oscillazione, ovvero tutti i tipi di onde stazionarie per cui i punti della corda oscillano con la stessa frequenza secondo il moto armonico. La sovrapposizione di più modi normali di oscillazione può a sua volta generare un’onda stazionaria.
Le onde periodiche
Un esempio sono le onde sonore, e possiamo descriverne il movimento in funzione del tempo con l’equazione y(x,t) = A sin(k x ± ωt + φ0).
In questo formula y rappresenta l’allungamento dell’onda, ovvero la distanza tra la posizione in cui si trova e quella di equilibrio, mentre A è l’ampiezza. La lettera k indica il numero d’onda, ω la pulsazione e infine φ0 la fase iniziale dell’onda.
