Le onde e il suono

LE ONDE E IL SUONO

La natura delle onde

Onda: è una perturbazione che si propaga nello spazio, trasportando energia ma non materia . La sua propagazione è determinata dall'oscillazione della materia intorno a una posizione di equilibrio. Nel caso di un'onda sonora oscillano particelle d'aria. Le onde che si propagano nella materia sono chiamate onde meccaniche. Mentre le onde che si propagano nel vuoto sono onde elettromagnetiche.

INDICE

1. LA NAUTRA DELLE ONDE

4. LA NATURA DEL SUONO

5. L'INTENSITÀ DEL SUONO

2. LE ONDE PERIODICHE

6. L'EFFETTO DOPPLER, ECO E RIMBOMBO

3. FENOMENI ONDULATORI: RIFLESSIONE, RIFRAZIONE E INTERFERENZA

Onde trasversali e longitudinali

Immaginiamo una lunga molla elicoidale appoggiata su un tavolo. Se muoviamo velocemente un estremo della molla in direzione perpendicolare a essa (cioè tra- sversalmente), vediamo una perturbazione propagarsi lungo la molla. Se muoviamo l’estremità della molla in modo periodico , lungo la molla si propaga una perturbazione detta onda periodica; in particolare, se il moto dell’estremità è armonico, l’onda che si propaga è un’onda armonica. Se non ci sono smorzamenti, il moto di ogni punto riproduce quello della sorgente, cioè dell’estremità della molla, con un ritardo pari al tempo necessario all’onda per muoversi dalla sorgente a quel punto.

Consideriamo nuovamente una molla elicoidale appoggiata su un tavolo. Se muoviamo avanti e indietro un estremo della molla nella direzione della sua lunghezza (cioè longitudinalmente), come nella figura, lungo la molla si propaga un’onda. L’onda è formata da una successione di regioni della molla alternativamente compresse e diradate che si propagano lungo di essa. In questo caso, un segno colorato fissato sulla molla si muove avanti e indietro compiendo oscillazioni armoniche nella stessa direzione in cui si propaga l’onda.

allora cos'è un onda trasversale?

Un’onda è trasversale quando la sua direzione di propagazione è perpendico-lare alla perturbazione che l’ha generata. Le onde radio, le onde luminose e le microonde sono onde trasversali. Sono onde trasversali anche quelle che si propagano lungo le corde di strumenti musicali come la chitarra o il violino.

allora cos'è un onda longitudinale?

Un’onda è longitudinale quando la sua direzione di propagazione è parallela alla perturbazione che l’ha generata. Le onde sonore che si propagano in aria, per esempio, sono onde longitudinali. Alcuni tipi di onde non sono né trasversali né longitudinali. Per esempio, in un’onda che si propaga sulla superficie dell’acqua le particelle non si spostano né in direzione perpendicolare a quella in cui viaggia l’onda, né parallelamente a essa. Come mostra la figura inserita, i loro spostamenti hanno infatti sia una componen- te perpendicolare sia una componente parallela alla direzione di propagazione dell’onda. In particolare, le particelle d’acqua più vicine alla superficie descrivo- no traiettorie quasi circolari.

Le Onde periodiche

Per descrivere un’onda periodica trasversale che si propaga lungo una molla, dobbiamo esprimere la distanza y in funzione di un punto X e di un instante t .

Se fissiamo l'istante t studiamo la posizione di tutti i punti in quell'istante. Se fissiamo la posizione X studiamo il moto di un singolo punto della molla al passare del tempo.

L’ampiezza A dell’onda è lo spostamento massimo dalla posizione d’equilibrio di un punto del mezzo in cui si propaga l’onda. L’ampiezza dell’onda è uguale alla distanza tra una cresta (il punto più alto) e la posizione di equilibrio, oppure tra un ventre (il punto più basso) e la posizione di equilibrio.La lunghezza d'onda λ è la lunghezza di un ciclo ed è uguale alla distanza tra due creste successive, o tra due ventri successivi. Il periodo T è l'intervallo di tempo in cui un punto del mezzo compie un'oscillazione completa.

In modo equivalente, si può definire il periodo come il tempo impiegato dall'onda per percorrere una distanza uguale alla lunghezza d'onda. Come nel caso del moto armonico, la frequenza di un onda periodica è legata al periodo da:frequenza f=1/T (periodo) La velocità di propagazione v di un'onda di lunghezza d'onda λ e periodo T è v= λ/T= fλ

La velocità di un'onda su una corda

La velocità di propagazione di un'onda dipende dalle caratteristiche del mezzo in cui si propaga.In una corda sottoposta a una tensione F, la velocità di propagazione di un'onda trasversale aumenta all'aumentare di F e diminuisce all'aumentare della densità lineare m/L della corda. Si può infatti dimostrare che, per piccole ampiezze, la velocità di propagazione di un'onda trasversale in una corda è la radice quadrata di F/(m/L) Negli strumenti musicali a corda, come la chitarra, il violino e il pianoforte, le onde trasversali sono generate pizzicando le corde

I FENOMENI ONDULATORI: RIFLESSIONE, RIFRAZIONE E INTERFERENZA

Quando un'onda si propaga, le oscillazioni in un punto determinano la formazione di oscillazioni nei punti vicini. Se durante la propagazione il mezzo in cui l’onda si propaga cambia, avvengono due fenomeni: ● RIFLESSIONE una parte dell’onda rimbalza sulla superficie di separa tra due materiali formando un'onda riflessa. ● RIFRAZIONE una parte dell'onda viene trasmessa e si forma un’ onda rifratta con una lunghezza d’onda diversa.

Può accadere che il punto di un mezzo possa essere investito da due o più onde.

Questa immagine ci mostra che entrambi gli impulsi spostano le spire della molla verso l’alto,la parte A delle due figure mostra che cosa succede quando i due impulsi stanno per sovrapporsi. La parte B mostra l’istante in cui due impulsi si combinano sommandosi: l’ampiezza dell’impulso totale è il doppio di quella dei due impulsi separati.Dopo la sovrapposizione gli impulsi continuano a viaggiare separatamente e la molla si comporta come si comporterebbe se fosse attraversata da due impulsi separati.

Questa immagine invece, mostra due impulsi trasversali con la stessa ampiezza che viaggiano l'uno verso l’altro su una molla.La parte A della fugura mostra che cosa succede quando i due impulsi stanno per sovrapporsi. La parte B mostra l’istante in cui due impulsi si combinano sommandosi: la somma dei due impulsi è temporaneamente nulla e la molla si appiattisce. Dopo la sovrapposizione gli impulsi continuano a viaggiare separatamente e la molla si comporta come si comporterebbe se fosse attraversata da due impulsi separati. .

Questi 2 esempi si basano sul principio di sovrapposizione:

Quando due o più onde sono presenti contemporaneamente in uno stesso punto la perturbazione on quel punto è la somma delle perturbazioni della seconda onda

Gli effetti dovuti alla sovraposizione di più onde in un punto sono chiamati effetti di interferenza. tra questi c'è la diffrazione, ovvero la capacità di un'onda di aggirare o passare attraverso uno ostacolo

LA NATURA DEL SUONO

Il suono è cosituito da onde longitudinali generate da un oggetto che vibra, può essere generato e trasmesso solo attraverso un mezzo materiale, nel vuoto non si propaga

MA COME SI CREANO LE ONDE E PERCHE' SONO LONGITUDINALI ?

Consideriamo la membrana di un altoparlante, qando la membrana si muove verso l' esterno e comprime lo strato d'aria davanti ad essa, provoca un aumento della pressione dell' aria di questa regione che prende il nome di COMPRESSIONE che si allontana dall' altoparlante alla velocità del suono. Questo fenomeno è analogo alla regione di spire compresse in un' onda longitudinale che si propaga in una molla.

Dopo aver prodotto la compressione, la membrana dell' altoparlante torna indieto e si muove all' interno producendo nello strato d' aria a contatto con essa, una regione chiamata RAREFRAZIONE , la pressione qui è leggermente minore rispetto al normale. Questo fenomeno è analogo alla regioni di spire diradate di un' onda longitudinale che si propaga in una molla.

Ma come si propaga nello spazio l'onda?

La figura inserita mostra come si propaga nello spazio l’onda sonora generata dalla membrana dell’altoparlante. Quando le compressioni e le rarefazioni arrivano all’orecchio, fanno vibrare il timpano con la stessa frequenza della membrana vibrante. Il moto vibratorio del timpano viene interpretato dal cervello come un suono. È importante notare che il suono non è generato dagli spostamenti di masse d’aria come quelli che danno origine ai venti. Le compressioni e le rarefazioni generate dall’altoparlante non trasportano le molecole dell’aria, ma le fanno oscillare attorno alla loro posizione d’equilibrio, a cui ritornano quando l’onda è passata

Continuando a vibrare, la membrana genera una successione di zone in cui l' aria è alternativamente compressa e rarefatta, prende il nome di: ONDA SONORA. La figura mostra che le mlecole d' aria, come le particelle della molla,oscilano avantied indietro nella stessa direzione in cui i propaga l' onda: PER QUESTO L' ONDA SONORA E' LONGITUDINALE. Inoltre possiamo notare che la lunghezza d' onda è uguale alla distanza tra i centri di due compressioni successive o di due rarefazioni successive.

frequenza e forma dell'onda

Anche nel caso di un’onda sonora, la frequenza è il numero di cicli compiuti in un secondo da un punto del mezzo in cui l’onda si propaga. (es.) Un suono si dice puro quando le particelle investite dall’onda sonora oscilla- no con moto armonico. In questo caso la frequenza di oscillazione delle particelle è la frequenza del suo- no puro. Un suono si dice complesso quando le particelle oscillano di moto periodico, ma non armonico. Anche un suono complesso ha una frequenza che lo caratterizza, detta frequen- za fondamentale.

Un suono puro può essere generato con un diapason Gli strumenti musicali, invece, emettono suoni complessi con forme d’onda anche molto differenti tra loro

Lo spettro di frequenze udibili da un essere umano può variare con l’età: una persona giovane riesce a udire suoni che hanno frequenze comprese tra 20 Hz e 20000 Hz (cioè 20 kHz) mentre una persona di mezza età non ries ce più a perce- pire suoni con frequenze superiori a 12-14 kHz. I suoni con frequenza minore di 20 Hz sono chiamati infrasuoni, mentre quelli con frequenza maggiore di 20 kHz sono chiamati ultrasuoni. I rinoceronti (fi- comunicano attraverso infrasuoni con frequenza di circa 5 Hz, men- tre i pipistrelli (figura 16B) usano ultrasuoni con frequenze fino a 100 kHz per individuare la posizione degli oggetti e orientarsi nel volo.

Lo sapevi che...

I pipistrelli usano ultrasuoni per orientarsi nel volo e per individuare la posizione degli oggetti.E che i rinoceronti comunicano tra loro usando infrasuoni?

l'altezza

La frequenza è una caratteristica oggettiva del suono perché può essere misurata con un apposito strumento. Invece il modo in cui la frequenza viene percepita cambia da un ascoltatore all’altro. Il nostro cervello, infatti, interpreta le frequen- ze rilevate dall’orecchio in termini di una qualità soggettiva detta altezza: l'altezza è la caratteristica di un suono che dipende dalla frequenza dell’onda sonora. Un suono con una frequenza fondamentale alta è interpretato come un suo- no alto o acuto; un suono con una frequenza fondamentale bassa è interpreta- to come un suono basso o grave. Per esempio, un ottavino produce suoni acuti mentre una tuba produce suoni gravi.

il timbro

Le note della scala musicale corrispondono a precise frequenze sonore. Senza entrare nel dettaglio della notazione musicale, ci limitiamo a riportare in le frequenze dei diversi do nella tastiera di un pianoforte. Quando ascoltiamo una stessa nota musicale suonata da strumenti diversi, siamo in grado di distinguerli anche se gli strumenti stanno emettendo suoni con la stessa frequenza fondamentale. Questa diversa percezione è legata a una caratte- ristica del suono, chiamata timbro, che dipende dalla particolare legge periodica con cui oscillano le particelle quando sono investite dall’onda sonora. Il timbro è la caratteristica di un suono che dipende dalla forma d’onda.

L'ampiezza di un'onda sonora e l'intensitàleggiamo il grafico...

La figura inserita rappresenta un suono puro che si propaga all’interno di un tubo. Alcuni manometri disposti lungo il tubo misurano i valori della pressione in vari punti dell’onda. Il grafico che si ottiene riportando i valori della pressione al va- riare della posizione del punto sorgente è una sinusoide. Il grafico mostra che la pressione è maggiore della pressione atmosferica nelle regioni di compressione e minore della pressione atmosferica nelle regioni di rarefazione.

L'intensità

La caratteristica del suono che dipende dall’ampiezza dell’onda è l’intensità: tanto maggiore è l’ampiezza dell’onda, tanto più forte è il suono. L’intensità di un suono è una caratteristica sia oggettiva sia soggettiva. Infatti l’ampiezza della pressione può essere misurata con opportuni strumenti, ma la percezione del volume di un suono dipende anche dalla sensibilità dell’apparato uditivo di una persona.

la velocità del suono

Come mostra la tabella accanro, il suono si propaga a velocità molto diverse nei gas, nei liquidi e nei solidi. A temperatura ambiente la velocità del suono nell’aria è di 343 m/s (pari a circa 1235 km/h) ed è notevolmente maggiore nei liquidi e nei so- lidi. Per esempio, la velocità del suono nell’acqua è circa quattro volte maggiore di quella nell’aria e la sua velocità nell’acciaio è più di diciassette volte maggiore di quella nell’aria. In generale, il suono viaggia più lentamente nei gas, più velo- cemente nei liquidi e ancora più velocemente nei solidi.

L'INTENSITA' DEL SUONOLe onde sonore trasportano energia che può essere usata per compiere un lavoro. La quantità di energia trasportata in un secondo da un'onda è chiamata potenza dell'onda e si misura in joule al secondo (J/s)

INTENSITA' DI UN SUONO

Quando ci si allontana dalla sorgente che l'ha emessa, un'onda sonora si propaga attraversando superfici di area sempre maggiori. L'itensità di un suono I è il rapporto tra la potenza sonora P che attraversa perpendicolarmente una data superficie e l'area A della superficie. L'unità di misura è il watt al metro quadrato.

Onda sferica uniforme

Se una sorgente emette onde sonore in modo uniforme in tutte le direzioni, l'intensità sonore è legata alla distanza da una relazione molto semplice. La figura mostra una sorgente di questo tipo di raggio r. Poichè l'intera superficie è attraversata dalla stessa potenza P, l'intensità del suono I in un punto a distanza della sorgente è

Livello d'intensita' sonora

dove I0= 1*10-12 W/m2 è la soglia di udibilità. Nel SI il livello d'intensità sonora è espresso in decibel. Il volume percepito sembra raddoppiare quando il livello d'intensità sonora aumente di 10dB

L'intensità minima I0 di un suono puro con una frequenza di 1000Hz che può essere percepita da un orecchio umano è I0= 1*10-12 W/m2 La nostra percezione del volume del suono è logaritmica e per questo si sceglie di misurare l'intensità tramite il livello d'intensità sonora

L'EFFETTO DOPPLER, ECO E rIMBOMBO

EFFETTO DOPPLER: variazione della frequenza delle onde emesse da una sorgente rispetto all'osservatore/ricevitore.Fruttiamo l'esempio della sirena di un camion dei pompieri e consideriamo due casi:

• sorgente in movimento e ricevitore fermo
• osservatore in movimento e sorgente ferma

SORGENTE IN MOVIMENTO E RICEVITORE FERMO

PREMESSA: Il camion è fermo, come anche l'aria intorno alla Terra. Le compressioni al secondo sono sono uguali sia davanti che dietro al camion e perciò anche la frequenza.Quando il camion inizia a muoversi le compressioni davanti sono più vicine , diminuendo la lunghezza d'onda , poichè il veicolo guadagna terreno prima di creare la regione di compressione successiva. Il numero di compressioni e la frequenza sono maggiori , allora il suono sarà più acuto. Dietro aumenta la lunghezza d'onda, il camion perde terreno e il numero di compressioni è minore, il suono sarà più grave.

La prima compressione avviene in t=0, mentre la successiva nell'istante T: LUNGHEZZA D'ONDA (λ). Il camion inizierà a muoversi in velocità v, spostandosi si una lunghezza v(s)T. Indichaimo f(r) come rapporto tra velocità e lunghezza d'onda. in questo caso la frequenza del suono percepito è maggiore della frequenza emessa.LA DIFFERENZA TRA f(r) e f(s) è lo SPOSATAMENTO DOPPLER (dipende da l rapporto v(s) e v(suono). quando la sirena si allontana la lunghezza d'onda è maggiore, perciò la f(r) del suono percepito è minore della f(s) della sorgente.

SORGENTE IN MOTO VERSO OSSRVATORE FERMO

SORGENTE CHE SI ALLONTANA DA UN OSSERVATORE FERMO

OSSERVATORE IN MOVIMENTO E SORGENTE FERMA

Il ricevitore si muove ad una velocità v nel verso della sorgente in un tempo t.

!ATTENZIONE! L'effetto Doppler cambia in base al movimento o meno del ricevitore: se è fermo cambia la lunghezza d'onda e la frequenza, se è in movimento cambia il numero di regioni di compressione e perciò la percezione del suono.

Incontra tutte le regioni di compressione che avrebbe ncontrato da fermo insime a quelle determinate da v(r)/λ.

AVVICINAMENTO ALLONTANAMENTO

L'osservatore che si allontana , si muove nella stessa direzione dell'onda incontrando meno regioni di compressione, perciò la frequenza sarà minore.

ECO E RIMBOMBO

Eco e rimbombo sono fenomeni dovuti alla riflessione delle onde sonore contro un ostacolo. quando produciamo un suono, esso si propaga in tutte le direzioni per poi tornare indietro. per arrivare al nostro orecchio il usono deve percorrere due volte la distanza e le onde si muovono come fossero prodotte da una sorgente virtualle di quella reale.

IN QUALI CONDIZIONI SI VERIFICA L'ECO? E IL RIMBOMBO?

L'eco si verifica a condizione che il tempo che trascorre tra l'emissione del suono e l'arrivo dell'onda riflessa si adi 1/10 s , poichè l'orecchio umano distingue suono oppurtunamente distanziati. il usono viaggia ad una velocità di 343 m/s nell'aria e vale la legge praria del moto rettilineo uniforme, s=vt.

Se la parete non è almeno di 17 cm l'orecchio non distingue i suoni e si tratta di rimbombo.

Grazie per l'attenzione!

A cura di Martina Bassetto, Veronica Nicolì, Elonora Bianco, Chiara Tafuro e Vittoria Muci. II B

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