Che cosa sono le onde meccaniche
I fenomeni ondulatori che possiamo incontrare in Fisica sono diversi, ma classifichiamo in questa categoria le perturbazioni che hanno bisogno di un mezzo per propagarsi. Può trattarsi sia di un solido che di un fluido, come avviene per esempio nel caso del suono: possiamo avvertirlo appoggiando l’orecchio a una superficie ma anche mentre siamo sott’acqua. Abbiamo però solo trasporto di energia e di quantità di moto, ma non di materia, perché le particelle si limitano a oscillare.
Il punto da cui partono le onde si chiama sorgente: lo sono per esempio le corde di uno strumento musicale o l’epicentro di una scossa sismica. Vedendo un terremoto o uno tsunami saremmo indotti a pensare che c’è spostamento di massa, ma la realtà è che è l’energia veicolata a passare.
Le onde trasversali e longitudinali
Distinguiamo le onde meccaniche in due categorie in base a come si dispongono fra loro le direzioni di propagazione e oscillazione di un fenomeno ondulatorio.
Nel caso delle onde longitudinali queste coincidono, come succede quando si schiacciano le due estremità di una molla di ferro o le si tirano in direzioni opposte. Questo significa che oscillazione e perturbazione durante i cicli di accorciamento e allungamento hanno la stessa direzione.
Un punto qualsiasi della molla durante questi movimenti oscilla parallelo rispetto al senso in cui si muove l’energia. Possiamo trovare un secondo esempio nelle vibrazioni che ha una barra d’acciaio dopo che la si colpisce con un martello.
Nel caso in cui invece queste risultino perpendicolari fra di loro ci troviamo di fronte a delle onde trasversali. Se prendendo la molla come prima la facciamo oscillare agitandola su e giù invece che tirare o premere alle estremità possiamo osservare onde meccaniche trasversali. Altrimenti un altro esempio è effettuare lo stesso movimento usando un nastro o una corda, o la hola che i tifosi o il pubblico effettuano ai concerti.
Il caso delle onde elastiche
Troviamo questa tipologia quando il mezzo in cui si propaga un’oscillazione è di natura elastica, ovvero soddisfa la legge di Hooke.
La velocità con cui si propagano dipende dal materiale, ovvero dalle sue capacità elastiche e dalla densità che presenta. Con elasticità si intende la capacità di un corpo di ritornare allo stato iniziale dopo essere stato deformato dall’applicazione di una forza.
Tutti i corpi sono elastici almeno in piccola parte, almeno finché le pressioni a cui sono sottoposti non sono prolungate o di grande entità. Possiamo avere onde meccaniche di natura elastica sia longitudinali che trasversali.
Se consideriamo delle one elastiche longitudinali possiamo ricavare la loro velocità dalla formula v = √λ + 2μ/ρ.
I due parametri λ e μ si chiamano costanti di Lamé e corrispondono rispettivamente alla resistenza alla compressione triassiale e la resistenza al taglio del materiale.
A volte μ è indicato anche come il modulo di resistenza.
Per quanto riguarda invece le onde elastiche trasversali la formula per il calcolo della velocità è v = √μ/ρ.
Le costanti di Lamé hanno sempre valore positivo, così come la densità ρ che troviamo al denominatore.
Come possiamo evincere dalle formule nello stesso mezzo le onde longitudinali saranno sempre più veloci di quelle trasversali. Più un materiale è denso minore sarà la velocità, quindi fra di loro le due grandezze sono inversamente proporzionali.
Misurare le onde meccaniche: il suono
I suoni viaggiano solitamente attraverso l’aria a una velocità di 340 m/s circa, ma possiamo percepirli anche sotto acqua, dove anzi risultano molto più veloci. Anche la temperatura dell’aria ha una certa influenza sulla rapidità di propagazione: a zero gradi è inferiore rispetto a quando si è in condizioni standard (ovvero 20°C).
Se invece sistemiamo una sorgente di onde sonore nel vuoto non si potrà percepire nulla: nello spazio cosmico per esempio, dove la densità è quasi pari a zero, non si sente nulla.
I suoni sono onde meccaniche di tipologia elastica e longitudinale, e li misuriamo in base alla loro frequenza ricorrendo all’Hertz (Hz) come unità di misura.
Se invece consideriamo l’intensità ricorriamo al decibel (dB), che esprime il rapporto fra la potenza dell’onda e l’area della superficie che attraversa. Si esprime su una scala logaritmica e i base al suo valore è possibile capire se l’onda possa essere o meno dannosa per l’udito.
Per dare un’idea un sussurro corrisponde a circa 30 dB, l’aspirapolvere in funzione è di circa 70 dB e il decollo di un aereo intorno ai 130 dB.
In genere un rumore inizia a provocare danni ai timpani al di sopra degli 85 dB, ma capita di trovarsi esposti a suoni ben più intensi.
La musica all’interno delle discoteche spesso arriva a 100 dB se ci si trova vicino alle casse.
Per quantificare i decibel si ricorre a strumenti detti fonometri, disponibili anche come applicazioni sugli smartphone. Controllare il livello di intensità sonora negli ambienti di lavoro è fondamentale per garantire la sicurezza degli impiegati.
I parametri di un’onda
Con questa rappresentazione possiamo distinguere prima di tutto i punti di massimo e minimo del fenomeno ondulatorio rispetto alla posizione di equilibrio.
Della velocità di propagazione abbiamo già parlato, ma per maggior precisione la definiremo come la rapidità con cui si spostano i punti di massimo o minimo di un’onda.
Infine abbiamo la frequenza f, già nominata prima, che si misura in Hertz e altro non è che il reciproco del periodo, infatti f = 1/T.
Corrisponde al numero di volte in cui la perturbazione torna al valore massimo in un secondo.
