Le onde meccaniche
Materiale di lavoro
Le onde meccaniche
Le onde hanno una definizione singolare: trasmissione di energia senza
trasporto di materia a meno di un’oscillazione locale delle particelle
investite dall’onda.
Si parla di onde meccaniche per distinguerle da altre, come le onde elettromagnetiche,
che non hanno bisogno di mezzi materiali per propagarsi.
Le onde sono quindi impulsi di energia che si trasmettono attraverso
mezzi materiali, senza che le particelle della materia si smuovano più
di tanto.
Due tipi di onda sono quelle fondamentali, anche se ne vengono
definite altre.
ONDE LONGITUDINALI
ONDE TRASVERSALI
Onde longitudinali
Consideriamo una sfera in un fluido (parliamo
di fluido perché è più visualizzabile ma le
perturbazioni possono trasmettersi anche in
materiali solidi, vedi terremoti).
Immaginiamo per comodità il fluido suddiviso
in tanti strati concentrici (colorati in celeste e
viola, alternativamente). In fondo, una
membrana elastica
La sfera ha la capacità di espandersi e di
contrarsi (ha un suo motore interno).
Onde longitudinali1
1° Fase. La sfera si espande e va ad
occupare il spazio del primo strato di
fluido, spingendo questo ad occupare il
secondo e così via e così via. Lo strato a
contatto con la membrana elastica, spinto
dallo strato adiacente, va a pressarla e
quindi a deformarla.
Onde longitudinali2
2° Fase. La sfera si contrae e va ad
riassumere il suo volume originario. Ciò
facendo lascia a disposizione un certo
volume che viene occupato dal primo strato
di aria, il quale, a sua volta ne lascia uno
per il secondo strato di aria e così via.
La membrana elastica, non più pressata
riprende la sua forma originaria.
In definitiva, l’impulso energetico, partito dalla sfera, si propaga nello
spazio (ben oltre i limiti angusti del disegno) e ogni particella del mezzo
compie un’oscillazione attorno ad un proprio punto di equilibrio.
Onde longitudinali3
Questo tipo di onda viene chiamato
longitudinale perché la direzione della
trasmissione dell’impulso è parallelo
alla direzione delle oscillazioni locali
delle particelle del mezzo.
Il meccanismo fisico che determina le
onde longitudinali è la pressione. Ogni
strato di fluido comprime il successivo
(oppure lascia spazio, creando un
depressione) determinando il moto
dell’impulso energetico.
Onde trasversali
Facciamo ancora ricorso al modello della
sfera in un fluido). Immaginiamo per
comodità il fluido suddiviso in tanti strati
concentrici (colorati in celeste e viola,
alternativamente). In fondo, questa volta,
per rendere più evidente l’effetto
dell’impulso energetico, una superficie
sabbiosa.
La sfera ha la capacità di ruotare
alternativamente nei due versi, orario e
antiorario (ha un suo motore interno).
Onde trasversali1
1° Fase. La sfera ruota attorno al suo
centro in senso oraio e compie un quarto di
giro. Il primo strato di fluido viene
trascinato nella rotazione e a sua volta esso
trascina il secondo strato e così via. Lo
strato a contatto con la sabbia provoca un
moto dei granelli di sabbia.
Onde trasversali2
2° Fase. La sfera compie adesso un quarto
di giro in senso antiorario. Anche questa
volta lo strato di fluido adiacente alla sfera
viene trascinata nella rotazione e a sua
volta trascina lo strato successivo e così
via.
La sabbia del pannello fisso viene riportata,
più o meno, al suo posto.
Anche questa volta l’impulso energetico, partito dalla sfera, si propaga nello
spazio (ben oltre i limiti angusti del disegno) e ogni particella del mezzo
compie un’oscillazione attorno ad un proprio punto di equilibrio.
Onde trasversali3
Questo tipo di onda viene chiamato
trasversale perché la direzione della
trasmissione dell’impulso è
perpendicolare alla direzione delle
oscillazioni locali delle particelle del
mezzo.
Il meccanismo fisico che determina le
onde trasversali è la viscosità. Ogni
strato di fluido trascina il successivo
trasmettendo nello spazio l’impulso
energetico.
Onde impulsive
La corda tesa riceve un
impulso da una mano
che la spinge verso l’alto
e poi torna alla posizione
d’equilibrio. L’impulso
si muove lungo la corda.
La corda tesa riceve un
impulso da una mano
che la spinge verso l’alto,
poi verso il basso e infine
torna alla posizione
d’equilibrio. L’impulso
si muove lungo la corda.
Onde periodiche
Quando la corda tesa
riceve una serie di
impulsi e questi sono
regolari nel tempo e
hanno la stessa
intensità. Allora le
onde che si formano si
chiamano
onde periodiche
Cresta
Posizione d’equilibrio
Ventre
Punto massimo
dell’oscillazione
Punto mediano,
quando il fluido è in
quiete
Punto minimo
dell’oscillazione
Rappresentazione spaziale
Y(m)
A
l
l
x(m)
l
l=2m
A = 3,4 m
E’In
possibile
una
rappresentazione
misurare la
lunghezza
spaziale il d’onda,
grafico
rappresenta
distanza frail
profilo
qualsiasi
dell’onda
coppia
come
di punti
se essa
omologhi
fosse
tra
fotografata
due onde
attraverso
successivela
parete di vetro
E l’ampiezza,
verticale di una
distanza tra la
vasca.
posizione di
equilibrio e una
Naturalmente
in
cresta
o un ventre
un determinato
istante di tempo.
Rappresentazione spaziale
Rappresentazione spaziale1
Y(m)
l
A
l=3m
A=2m
x(m)
Rappresentazione temporale
Ay(m)
E’
misurare
Sipossibile
rappresenta
il periodo, intervallo
l’oscillazione
di
di tempo in cui la
una
particella,
particella
compie
lungo
l’asse
un’oscillazione
completa.
delle
y, con lo
T
scorrere
del
O la frequenza,
numero
tempo.di
(s)
oscillazioni che
avvengono in un
secondo
Tra frequenza e periodo
esiste una relazione di
proporzionalità inversa
T=3s
f = 0,33 s-1
f = 1/T
Rappresentazione temporale
Ay(m)
(s)
T = 42 s
f = 0,25
0,5 s-1s-1
Velocità delle onde
La velocità delle onde dipende esclusivamente dalle
proprietà del mezzo in cui si trasmette.
Lunghezza d’onda; ovvero
distanza che la perturbazione
percorre mentre una particella
compie un’oscillazione
completa
Periodo; ovvero tempo che una
particella impiega per
compiere un’oscillazione
completa
l
=v
T
v = f.l
