"IL PROCESSO DI UNA SCOPERTA SCIENTIFICA È, IN EFFETTI, UN CONTINUO CONFLITTO DI MERAVIGLIE"
(ALBERT EINSTEIN)
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Onde


 

Che cosa è un’onda? Le onde del mare, le onde radio, le microonde, sono tutte…delle onde. Ma cos’è un’onda?

Un’onda è una perturbazione dello spazio e trasporta energia ma non materia. Sembra complicato ma in realtà è semplice. Vi è mai capitato di fare un’ola? Nessuno si allontana dal proprio posto ma si vede chiaramente l’onda che propaga. Possiamo affermare che la prima caratteristica delle onde è che si propagano, si “muovono” nel tempo e nello spazio.

1 – Guardiamo le onde: gli ondoscopi

La maggior parte delle onde di cui facciamo esperienza nella giornata non sono visibili ai nostri occhi. Gli ondoscopi sono degli strumenti che permettono di creare delle onde meccaniche con le stesse caratteristiche delle onde esistente in natura e di poterle osservare.

Il primo ondoscopio è composto da tante bacchette tutte uguali, tenute insieme da due fili sottoposti ad una tensione che può essere variata. Questo sistema si comporta come un insieme di pendoli in cui l’oscillazione di un elemento si trasmette al proprio vicino, secondo la direzione di propagazione dell’onda; attraverso l’ondoscopio è possibile comprendere sia il comportamento dei mezzi materiali quando sono attraversati da un’onda, sia come le proprietà delle onde (tutte) dipendono dalle caratteristiche dei mezzi materiali che attraversano.

Attraverso questo strumento è possibile osservare alcune caratteristiche fondamentali delle onde, che siano costituite da una singola oscillazione che si propaga (impulsive) oppure che si ripetano secondo un andamento regolare nel tempo e nello spazio (periodiche). Si potranno vedere e quindi definire la velocità di propagazione, la lunghezza d’onda, la frequenza, il periodo e l’ampiezza.

Il secondo ondoscopio permette di affrontare dei fenomeni più complessi, in particolare come cambia un’onda quando passa da un mezzo ad un altro con caratteristiche differenti. Con questo strumento si potranno osservare i fenomeni della riflessione e della rifrazione che si verificano, ad esempio, quando un raggio di luce passa da fuori a dentro una stanza attraversando una finestra di vetro, e che sono fondamentali per la comprensione degli esperimenti presentati nella stanza dell’arcobaleno e del suono.

2 – Due tipi di onde: trasversale (la luce) e longitudinale (il suono)

L’esperimento dei pendoli accoppiati permette di osservare le differenze tra questi due tipi di onde. Simulando le proprietà elastiche dei materiali attraverso un sistema di sfere di legno tutte uguali collegate tra loro attraverso delle molle.

Pur avendo molte caratteristiche comuni, non tutte le onde sono uguali. Una distinzione importante è quella tra le onde longitudinali e quelle trasversali.

L’esperimento dei pendoli accoppiati permette di osservare le differenze tra questi due tipi di onde.

Il sistema dei pendoli accoppiati, che vuole simulare le proprietà elastiche dei materiali per mostrare come si propagano le onde, è costituito da tante masse tutte uguali collegate tra loro con delle molle. Un volta dato l’impulso iniziale, sarà possibile seguirlo mentre diffonde in tutto il sistema, esattamente come quando un sasso viene buttato in uno stagno e da lì le onde si propagano tutto intorno. Nel caso di onde longitudinali, le masse oscilleranno parallelamente alla direzione di propagazione, mentre nel caso di onde trasversali sarà possibile osservare le masse che oscillano lungo la perpendicolare della direzione di propagazione dell’onda. La luce è un’onda di tipo trasversale mentre il suono longitudinale.

Nella stanza delle onde sono stati realizzati due esperimenti in cui è possibile seguire la propagazione dei diversi tipi di onde in un piano, ovvero nelle due dimensioni, e nello spazio, nelle tre dimensioni.

3 – Onde “ferme”: le onde stazionarie

Le onde stazionarie sono alla base del funzionamento di tutti gli strumenti musicali, nonché della nostra voce.

Per visualizzare le onde stazionarie è stata realizzata una chitarra con tre corde di spessore e materiale differente. E’ possibile verificare come la tensione sulla corda modifichi la velocità dell’onda e come la frequenza dell’onda stazionaria sia legata alla lunghezza della corda.

Se l’onda è costituita da un singolo impulso, una volta percorsa l’intera lunghezza della corda, l’impulso viene riflesso e torna indietro con un’oscillazione speculare rispetto a quella iniziale: se il singolo impulso in andata presentava un massimo, quello riflesso presenterà un minimo e viceversa; possiamo dire che ad ogni riflessione si inverte l’oscillazione o, in termini scientifici, che l’onda riflessa viaggia in controfase rispetto a quella iniziale. Una volta tornato al punto di partenza, il singolo impulso si riflette nuovamente e inizia a ripercorrere la corda.

Se anziché da un unico impulso la corda è messa in oscillazione da una sequenza ininterrotta di singoli impulsi, ovvero da un’onda periodica, dopo la prima riflessione si vengono a creare due onde viaggianti in senso opposto e in controfase. La sovrapposizione delle due onde genera un’oscillazione particolare che non propaga ma si modifica nel tempo. Alcuni punti della corda (nodi) restano del tutto immobili; in altri punti (ventri o antinodi) l’oscillazione varia nel tempo e presenta la massima ampiezza. Questo tipo di onda è detta stazionaria, ovvero che non propaga.

Non tutte le onde che si propagano sulla corda fissata agli estremi possono dare origine ad un’onda stazionaria: una condizione fondamentale è che l’onda presenti un numero intero di nodi nella lunghezza della corda.

Negli strumenti musicali la lunghezza delle corde, la geometria della cavità risonante, la forma della porzione vibrante delle percussioni, costituiscono l’analogo degli estremi vincolati della corda, grazie a cui è possibile creare delle onde stazionarie con frequenze ben precise: ogni frequenza corrisponde ad una nota. Variando la forma della cavità risonante (come nell’organo, o nello xilofono o nel metallofono,…) , la sezione o la tensione della corda messa in oscillazione (strumenti a corda), la forma o la tensione delle porzioni vibranti degli strumenti a percussione si modificano le frequenze delle onde stazionarie che si possono creare e ,quindi, si danno origine a note musicali differenti.

Gli strumenti musicali non sono li unici oggetti in cui è possibile creare un’onda stazionaria o detto in altri termini, dotati di una frequenza di risonanza.

Ad esempio il diapason, una volta percosso, produce una vibrazione con un’unica frequenza caratteristica, corrisponde alla nota musicale “LA”.

Se avviciniamo un diapason fermo ad un sorgente sonora mentre emette un “LA”, questo inizia a sua volta ad oscillare e a produrre la vibrazione caratteristica corrispondente alla nota “LA”. Il diapason inizialmente fermo ha “assorbito” l’onda corrispondente emessa dalla sorgente e ha iniziato a vibrare alla medesima frequenza: è avvenuto un trasferimento di energia tra la sorgente sonora e il diapason e questo può avvenire solamente per una ben precisa frequenza, quella corrispondente alla nota “LA”, la frequenza di risonanza del diapason.

4 – Infrarossi: il sole ci scalda!!!

Esistono anche dei tipi di onde di cui facciamo esperienza quotidianamente ma non ce ne accorgiamo mai. Usando degli opportuni strumenti, però, è possibile vederne gli effetti.

Il nostro sole è fondamentale per la vita sulla terra: non solo ci illumina ma ci scalda! Il calore che noi percepiamo quando stiamo al sole o che ogni oggetto ad una certa temperatura emana, è anch’esso un’onda, del tutto simile alla luce ma con una lunghezza d’onda maggiore: nell’arcobaleno dovremmo vederlo accanto al rosso, a frequenze più basse, per questo è stato chiamato infrarosso (infra- vuol dire sotto). I nostri occhi non sono adatti a vedere l’infrarosso ma alcuni animali, lo possono fare. I serpenti, ad esempio, sono in grado di seguire le impronte di calore lasciate dalle loro piccole prede. Usando degli opportuni strumenti, possiamo anche noi vedere gli infrarossi e distinguere gli oggetti non dalla loro forma o colore ma dalla loro temperatura!

Nella stanza delle onde si trova una telecamera ad infrarossi che permette di distinguere la temperatura di oggetti di uso quotidiano: il muro della stanza, la presa elettrica, il PC, noi stessi! Due sorgenti di calore, una più calda e una più fredda e una serie di pannelli realizzati con diversi materiali (metallo, tessuto, plexiglas, legno), possono essere usati come schermi per mostrare che la radiazione infrarossa è in grado di attraversare alcuni materiali.

5 – Microonde: il forno di casa e il cellulare

Allungando ulteriormente la lunghezza dell’onda o, detto in altri termini diminuendone la frequenza, arriviamo nel mondo delle microonde, anch’esse invisibili agli occhi ma assolutamente reali! Il forno a microonde, il telefono cellulare, la televisione satellitare, funzionano utilizzando questo tipo di onde.

Una caratteristica molto interessante e sfruttata delle microonde è che riescono a mettere in vibrazione le molecole di acqua; per effetto dell’attrito tra le molecole vicine messe in movimento, si genera calore e quindi si possono cuocere i cibi. La cottura a microonde è molto rapida proprio perché l’energia viene portata direttamente dentro ai cibi e non trasferita dall’aria circostante, come accade nei forni tradizionali.

Il sistema realizzato nel laboratorio delle onde è composto da un tubo trasparente attraverso cui vengono propagate delle microonde. Una serie di lastre di materiale diverso da inserire lungo il cammino delle microonde, aiuta a comprendere come la propagazione delle microonde attraverso i materiali non dipende dalla loro trasparenza, come avviene per la luce, ma piuttosto dalla presenza di acqua. Ad esempio è possibile notare come le microonde riescono a trasmettersi attraverso uno strato di legno (materiale opaco nel visibile) ma vengono fortemente disturbate dalla presenza di acqua.

6 – Ultrasuoni: il batsonar, ovvero come comunica il pipistrello

Così come i nostri occhi non sono sensibili a tutti i tipi di onde elettromagnetiche – quelle simili alla luce – anche le nostre orecchie non possono sentire tutta la gamma di suoni esistenti in natura ma solo quelli compresi tra delle ben precise frequenze. Ad esempio, gli uomini non sono in grado di udire i suoni emessi dai pipistrelli, per noi hanno una frequenza troppo elevata, sono degli ultrasuoni!

I pipistrelli utilizzano gli ultrasuoni in modo originale: dopo aver emesso dei impulsi, aspettano che tornino indietro e dal tempo impiegato dagli ultrasuoni nel percorrere il tragitto di andata e ritorno, riescono a valutare le distanze degli ostacoli. Usano cioè l’eco degli ultrasuoni per orientarsi. Le differenti specie di piante producono echi differenti, ragione per cui il pipistrello sa anche che tipo di pianta ha di fronte e se ospita gli insetti di cui è ghiotto. Anche altri animali sono in grado di udire gli ultrasuoni, ad esempio i cani, i delfini e alcuni insetti.

L’uomo ha imparato a sfruttare questa tecnica utilizzata dai pipistrelli creando degli strumenti che sono in grado di ricavare delle informazioni sulla forma e la distanza degli oggetti che generano l’eco degli ultrasuoni, un esempio sono i sonar e le ecografie. Nella stanze delle onde è stato realizzato un modello per sperimentare la misura delle distanze attraverso gli ultrasuoni: il BATSONAR.

Questo strumento è in grado di emettere ultrasuoni e misurare la distanza di ostacoli che gli si pongono davanti, proprio come fanno i pipistrelli.

Conosciute un po’ meglio le onde e le loro proprietà caratteristiche, si possono visitare le stanze della luce e del suono capendole meglio!!!

 


Che cos’è un’onda? Cosa hanno in comune le onde del mare, la luce, il suono, il calore del sole? Impariamo assieme le caratteristiche fondamentali delle onde

Oscilli in su o in giù o avanti e indietro? Trasversale o longitudinale, ma sei sempre un’onda!

Onde vere con un nome strano: le onde stazionarie, alla base del funzionamento degli strumenti musicali e della nostra voce.

Onde invisibili ma effetti reali: come il calore e le microonde attraversano o vengono assorbiti da diversi materiali.

Un’eco che non si sente… ma c’è. Sonar in natura e sonar tecnologici.

 

Ampiezza, frequenza, velocità e direzione di propagazione, attenuazione: caratteristiche fondamentali, comuni a tutti i tipi di onde da quelle del mare, alla luce, al suono, al calore del sole.

Onde trasversali e onde longitudinali: relazione tra direzione di oscillazione e di propagazione.

Onde che oscillano e non propagano. Le onde stazionarie e la loro interazione con gli oggetti: la risonanza.

Uno sguardo allo spettro elettromagnetico al di fuori del visibile. Gli infrarossi e le microonde: assorbimento e trasmissione da diversi materiali.

Oltre la soglia di udibilità: applicazione dell’eco di ultrasuoni nel calcolo delle distanze.

 

Ampiezza, frequenza, velocità e direzione di propagazione, attenuazione. Dall’equazione delle onde all’esperimento.

La propagazione delle onde nei mezzi: relazione tra i parametri fondamentali delle onde e le caratteristiche del mezzo in cui le onde si propagano.

Riflessione e sovrapposizione: l’onda stazionaria e le sue caratteristiche fondamentali dal punto vista teorico e sperimentale. La risonanza.

Onde trasversali e onde longitudinali.

Interazione radiazione-materia al di fuori della banda del visibile: il caso della radiazione infrarossa e delle microonde, trasmissione e assorbimento da diversi materiali.

Gli ultrasuoni: la determinazione delle distanze attraverso l’eco.