Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

Make your likes visible on Facebook?

Connect your Facebook account to Prezi and let your likes appear on your timeline.
You can change this under Settings & Account at any time.

No, thanks

LE ONDE E IL SUONO

Presentazione sulla natura e le caratteristiche delle onde e, in particolare, sulle onde sonore. Elisa Farris IV F
by

Elisa Farris

on 4 May 2015

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of LE ONDE E IL SUONO

LE ONDE...
Il moto oscillatorio
Il moto oscillatorio, o ondulatorio, consente la trasmissione di energia alle particelle colpite da un'onda che si propaga in un mezzo, che sia esso una corda, l'acqua, l'aria o un solido tridimensionale, come le
onde meccaniche
o
elastiche
, o nel vuoto, come le
onde elettromagnetiche.
Il moto oscillatorio è caratteristico di corpi che, spostati dalla loro posizione di equilibrio, tendono a tornarvi compiendno movimenti oscillatori avanti e indietro, regolarmente.
Fronti d'onda e raggi d'onda
Un'onda si può propagare in un mezzo materiale oppure nel vuoto. Se consideriamo il primo caso, il mezzo può essere unidimenzionale, bidimensionale ma anche tridimensionale, e in questo caso l'onda si propaga nelle tre dimensioni spaziali. Ne sono un esempio le onde sonore, il cui mezzo di propagazione è l'aria.
Quando il mezzo materiale è tridimensionale, l'onda generata andrà a colpire più punti nello stesso istante, ovvero tutti quei punti che hanno la stessa distanza dalla perturbazione, che perciò saranno investiti da essa contemporaneamente.
Tali punti sono chiamati
fronti dell'onda
.
Nel caso della goccia che cade nella pozzanghera, ad esempio, abbiamo visto che genera un'onda che si propaga producendo una serie di increspature concentriche. Tali increspature, costituite da particelle che vengono colpite tutte nello stesso istante, costituiscono i fronti d'onda.
Le caratteristiche di un'onda
Il moto armonico
...E IL SUONO
Che cos'è un'onda?
Le onde meccaniche o elastiche
Diversi tipi di onde elastiche
Energia nelle oscillazioni armoniche
Onde molto complesse
Il fenomeno della riflessione
L'interferenza
Le onde periodiche
Il moto oscillatorio descritto dalle particelle di un corpo colpito da un'onda si ripete ciclicamente, ovvero il corpo torna alla posizione di partenza dopo aver compiuto un'oscillazione completa, che si ripeterà identica in uno stesso intervallo di tempo.
Nel grafico spaziale e temporale, l'avanzamento dell'onda è dato dalla ripetizione della stessa curva sinusoidale di partenza.
Si parla quindi di moto periodico, e il tipo di onda che si propaga per mezzo di questo è detta
onda periodica
, cioè un'onda che dopo un intervallo di tempo si ripete sempre identica a se stessa.
Onde su corda
L'onda è un fenomeno fisico che può essere descritto come una perturbazione tale da propagarsi in tutte le parti del
mezzo
in cui si viene a creare. In particolare, l'onda si propaga trasportando
energia
, ma non materia.
Tutte le particelle del
mezzo materiale
- così è detto il corpo nel quale si propaga l'onda- nel momento in cui vengono colpite da questa aumentano la loro
energia cinetica
e modificano quella
potenziale
, poichè vengono messe in movimento dalla perturbazione e variano la loro posizione rispetto a quella iniziale di equilibrio.
Le particelle del mezzo si muovono dunque attorno a una posizione fissa e la loro dislocazione non è permanente: si può perciò dire che non ci sia alcun trasporto di massa, ma solo una
diffusione
della perturbazione a tutte le particelle, che si "contagiano" a vicenda.
Un esempio di moto oscillatorio è dato dalle gocce d'acqua che, durante la pioggia, cadono sulla superficie di una pozzanghera. La perturbazione è tale da creare un'iniziale increspatura circolare che si estende a una superficie sempre più ampia.
Se si analizza il moto delle singole particelle, si nota che ciascuna compie un movimento verticale, su e giù rispetto all'equilibrio iniziale
Se si riporta il moto delle singole particelle su un grafico in funzione del periodo, si nota che questo è descritto da una curva sinusoidale.
Le onde periodiche sono caratterizzate da:
lunghezza d'onda
(lambda), che è la distanza tra due creste, ovvero la distanza dopo la quale l'onda si ripresenta uguale a se stessa;
ampiezza
(A), è la distanza tra il massimo valore assunto dalla grandezza che oscilla e il punto di equilibrio;
periodo
(T) è l'intervallo di tempo necessario a un punto del mezzo materiale per compiere un'oscillazione completa, cioè perchè ritorni allo stato da cui è partito;
frequenza
(f), è il numero di oscillazioni compiute dall'onda nell'intervallo di tempo che corrisponde a 1 s, altrimenti descritta in relazione al periodo, per cui: f= 1/T
Se consideriamo che la lunghezza d'onda, in quanto una distanza, indica uno spostamento e quindi uno spazio, e sapendo che il periodo indica un intervallo di tempo, a partire da queste due grandezze possiamo ricavare la
velocità
(v) alla quale si propaga l'onda.
Se
v=s/t
allora:
I
raggi d'onda
sono invece delle rette che, a partire dalla sorgente dell'onda (nell'esempio precedente la goccia d'acqua) intersecano perpendicolarmente i fronti d'onda, e si possono definire come i vettori che indicano la direzione di propagazione dell'onda. Nel caso di onde piane, come quelle che si sviluppano sulla sperficie piatta del mare, i raggi d'onda sono rette perpendicolari ai fronti.
Tutte le onde che si propagano in un mezzo materiale sono
onde meccaniche
, cioè perturbazioni che trasportano soltanto energia e non materia. In particolare un'onda meccanica può propagarsi nel mezzo solo grazie alle proprietà elastiche dello stesso. Al passaggio della perturbazione le particelle che lo costituiscono si spostano rispetto alla posizione di equilibrio e vi ritornano successivamente grazie alle forze elastiche di richiamo delle altre particelle. In questo modo l'energia potenziale e cinetica di ogni singolo punto si trasmette a quelli adiacenti, che lo imiteranno. Per tale motivo le onde meccaniche sono anche dette
onde elastiche
.
Perchè si crei un'onda di questo tipo sono necessari:
Ogni particella parte dalla posizione iniziale, che coincide con lo stato di equilibrio.
E' raggiunta dalla perturbazione che ne modifica lo stato iniziale, spostandola. Durante lo spostamento raggiunge la massima distanza dalla posizione iniziale
Da questo punto la particella tende a ritornare alla posizione di equilibrio
Una volta raggiunta, supera la posizione iniziale e raggiunge la massima distanza da questa con stessa direzione ma verso opposto, per tornare alla posizione di equilibrio e ricominciare il ciclo
un mezzo nel quale si possa propagare l'onda
una connessione (e quindi una forza elastica) tra l'elemento perturbato e quello adiacente
una sorgente, solitamente un'agente esterno, in grado di provocare la perturbazione
Le onde meccaniche possono essere classificate a seconda del modo in cui si propagano nel mezzo materiale.
In particolare, in base a questo criterio si distinguono le
onde longitudinali
e le
onde trasversali
Onde longitudinali
Onde trasversali
Consideriamo una corda tenuta alle due estremità. La mano compie un movimento verticale, costituendo la sorgente di un'onda che si propaga orizzontalmente lungo tutto il mezzo attraverso l'oscillazione verticale delle singole particelle.
Onde di questo genere, che si sviluppano perpendicolarmente al moto dell'onda, sono dette onde trasversali.
Consideriamo ora la stessa corda ma ammettiamo che stavolta la perturbazione muova le particelle nella stessa direzione della lunghezza d'onda, in modo tale che compiano oscillazioni orizzontali, avanti e indietro, attorno alla posizione di equilibrio.
Le onde che si propagano
parallelamente
al moto dell'onda sono dette onde longitudinali.
Le onde del mare non sono elastiche, perchè sono dovute al peso dell'acqua e alla sua proprietà, essendo un liquido, di essere incomprimibile.
Il moto ondoso è molto articolato, perchè il moto complessivo delle singole particelle di acqua in superficie è il risultato di onde trasversali e longitudinali: le prime fanno muovere le molecole d'acqua perpendicolarmente al moto dell'onda, in direzione verticale; le seconde seguono la direzione orizzontale dell'onda.
Complessivamente ne risulta una traiettoria circolare, che prevede la ripetizione del moto oscillatorio delle singole particelle nel tempo e nello spazio. Le onde del mare non possono essere studiate come onde elastiche perchè sono influenzate da una grandissima quantità di fattori che ne modificano ampiezza, lunghezza, periodo, frequenza e velocità.
Il modo più semplice per studiare le onde meccaniche è considerare le onde che si propagano su un mezzo unidimenzionale, come una corda.
In questo caso, la corda costituisce il mezzo materiale e la mano che la tiene è la sorgente da cui nasce l'onda.
Il movimento oscillatorio che dalla mano viene impresso alle singole particelle della corda determina il tipo di onda che si propagherà nell'intero mezzo.
Considerando il
moto oscillatorio
, caratteristico di tutte le onde periodiche, è necessario fare riferimento a un particolare tipo di moto, quello
armonico
.
Esso consiste nella proiezione di un moto circolare uniforme lungo una retta che, su un grafico spazio-tempo corrisponde a una curva sinusoidale, la stessa che descrive l'oscillazione di una particella di un corpo materiale colpito da un'onda.
Si parla di
onda armonica
quando la grandezza da cui essa è descritta si muove di moto armoico.








In particolare, un corpo che si muove di moto armonico ha un'
accelerazione

direttamente proporzionale
allo
spostamento
, ma con
verso opposto
.
Come si può notare dall'immagine qui sotto, il periodo del moto del corpo è suddiviso in quarti: la seconda linea tratteggiata in verde indica il compimento di un'oscillazione completa e l'inizio di una nuova, identica. In particolare si nota che i grafici spazio-tempo e accelerazione-tempo sono due curve uguali tra loro, ma traslate l'una rispetto all'altra.
Se "leggiamo" il grafico capiamo che nel momento in cui il corpo raggiunge la massima ampiezza, anche l'accelerazione ha il suo massimo valore ma con segno opposto; a mano a mano che il corpo si avvicina alla posizione di equilibrio l'accelerazione aumenta, fino ad annullarsi quando anche lo spostamento è nullo. Viceversa, quando il corpo prosegue la sua traiettoria, stavolta con verso opposto, l'accelerazione aumenta raggiungendo il picco al massimo valore dello spostamento.
*la velocità delle singole paricelle dipende sempre anche dalla densità del mezzo (se questo è una corda, essa dipende dalla sua densità lineare), e dalla tensione a cui è sottoposta.
Quando un'onda si propaga lungo una corda, si manifesta un particolare fenomeno per cui, giunta all'estremità opposta rispetto a quella da cui è partita, l'onda
si riflette
, invertendo il proprio moto e tornando all'estremo iniziale.
Ciò avviene in modi differenti a seconda che il secondo estremo sia
fisso
oppure
libero
di muoversi.
Quando l'estremo è fisso, l'impulso fa sì che la porzione di corda che oscilla in questo punto eserciti una forza sul corpo che la tiene ferma (ad esempio un gancio o una sbarra). Tale forza è diretta verso l'alto e viene compensata dalla forza uguale e contraria che, per reazione, la sbarra esercita sull'estremo della corda, riflettendo l'impulso iniziale che si realizza in un'oscillazione invertita della corda.
Se l'estremo è libero, l'impulso che si propaga lungo la corda lo mette in movimento, in modo che raggiunga la massima distanza dalla posizione di equilibrio: l'oscillazione si propaga anche alle particelle dell'estremità libera. La forza di richiamo della corda fa sì che l'estremità ritorni poi alla posizione iniziale, innescando un impulso identico a quello iniziale ma con verso opposto.
Nella realtà di tutti i giorni ci capità di entrare in contatto con centinaia di suoni, vibrazioni, luci, onde radio, ... Raramente le onde ci pervengono individualmente, da sole; più spesso invece quello che percepiamo è il frutto di più onde che si propagano contemporaneamente.
Quando questo avviene in uno stesso punto di uno stesso mezzo materiale, le onde che si incontrano generano il fenomeno dell'
interferenza
.
Quando si ha un'interferenza, le onde in questione si sovrappongono per un istante in base al
principio di sovrapposizione
per cui si genera un nuovo impulso, che dura per tutta l'interferenza, pari alla somma algebrica degli impulsi generati dalle singole onde.
L'interferenza può essere di due tipi diversi a seconda che le onde che interferiscono l'una con l'altra siano
in fase
- cioè nella stessa fase- o
controfase
(o in opposizione di fase)- cioè quando una si trova nella massima fase l'altra si trova nella minima e così via.
Nel primo caso si parla di
interferenza costruttiva
perchè l'effetto complessivo dell'interferenza provoca un impulso maggiore di quelli prodotti dalle due onde singolarmente.
Nel secondo caso si parla di
interferenza distruttiva
, in quanto le due onde, essendo in fasi opposte si annullano a vicenda, provocando un impulso minore di quelli prodotti dalle singole onde, o addirittura nullo.
Onde progressive e onde stazionarie
Le onde che si propagano in un mezzo, ad esempio su una corda, sono chiamate progressive.
Ci sono però delle onde che non si propagano: in questo tipo di onde, dette stazionarie, l'energia fornita dalla sorgente non si trasmette ai vari punti del mezzo ma resta accumulata nel loro moto oscillatorio.
Se nelle onde progressive i punti del mezzo oscillavano con la stessa ampiezza ma avevano fasi diverse, nelle onde stazionarie i punti oscillano con ampiezze diverse ma tutti con la stessa fase, come se costituissero un blocco unico.
Un'onda stazionaria è caratterizzata da configurazioni che si ripetono regolarmente, e da particolari elementi distintivi, quali:
i
nodi
, che costituiscono i punti fissi e stabili che non partecipano all'oscillazione;
i
ventri
(o antinodi) che invece oscillano.
Riguardo la
diffrazione
, essa è un particolare fenomeno che si verifica quando, durante la sua propagazione, un’onda incontra un ostacolo o una fenditura di dimensioni confrontabili (o minori) alla sua lunghezza d’onda. Nel caso l’onda incontri un
ostacolo
, essa è in grado di «aggirarlo» quando questo ha dimensioni confrontabili con la sua lunghezza d’onda; in particolare, a parità di dimensioni dell'ostacolo i suoni più gravi riescono ad aggirarlo più facilmente rispetto ai suoni acuti. Nel caso in cui l’onda incontra una
fenditura
, se questa è molto maggiore della lunghezza d'onda, l’onda è in grado di passare attraverso la fenditura senza modificare in modo rilevante la forma dei suoi fronti d'onda. Quando la fenditura ha dimensioni molto minori rispetto alla lunghezza d'onda il fronte d'onda si deforma e diventa pressoché sferico: in questo caso la diffrazione ha effetti rilevanti sulla propagazione dell’onda.

Le onde sonore sono caratterizzate, oltre che da quelle tipiche di tutte le onde periodiche (lunghezza d’onda, ampiezza, periodo,…) da tre diverse grandezze, che sono: altezza, timbro e intensità.
L’
altezza
riguarda la distinzione dei suoni in «acuti» e «gravi», e dipende dalla frequenza dell’onda. I suoni acuti sono quelli che hanno frequenza- e quindi anche altezza- maggiore; ai suoni gravi corrisponde invece una frequenza d’onda minore, e ciò determina una minore altezza.
Il
timbro
dipende dalla particolare legge periodica dell’onda sonora. Si parla si «suono puro» quando è descritto da un’onda sonora armonica; in generale la maggior parte dei suoni derivano dalla sovrapposizione di più armoniche e perciò non sono suoni puri. Uno stesso suono può essere emesso da più strumenti musicali ognuno dei quali è caratterizzato da un determinato timbro: ciò che cambia, da uno strumento all’altro non è il periodo dell’onda ma l’ampiezza e la frequenza tipiche di ognuno.
L’
intensità
distingue un suono che si sente «ad alto volume» da uno «a basso volume» e dipende dalla quantità di energia trasmessa nell’unità di tempo alle particelle che oscillano e dall’ampiezza dell’onda: in particolare, a un’ampiezza maggiore corrisponde un’intensità maggiore, mentre a una minore corrisponde minore intensità.

Le caratteristiche delle onde sonore

Le onde sonore sono di tipo meccanico perché, a differenza di quelle elettromagnetiche, non possono propagarsi nel vuoto ma necessitano di un mezzo materiale.
Nello spazio, dove c’è il vuoto, un’esplosione non provocherebbe nessun’onda sonora perché non c’è un mezzo al quale «aggrapparsi» per potersi propagare.

I suoni che percepiamo si propagano nell’aria circostante la sorgente che li produce, senza trasportare materia né determinare un significativo spostamento dell’aria stessa.
Questo perché
i suoni sono onde
, perturbazioni che nascono dalle vibrazioni della sorgente e che da questa si propagano alle particelle del mezzo materiale con le caratteristiche dei moti ondulatori.

Nella vita quotidiana ci troviamo «immersi» in un’enorme quantità di suoni e rumori a cui, spesso neanche facciamo caso, tanto siamo abituati a conviverci.
Ma se prestiamo attenzione a questi suoni, come potremmo interpretare la loro natura?

Le onde sonore

Questo complesso sistema non è in grado di percepire tutte le onde, ma queste devono rientrare in un «limite» che dipende dalla frequenza dell’onda che viene percepita. In generale, l’orecchio umano può percepire onde che hanno frequenza compresa tra i 20 Hz e i 20 000 Hz.
Tutte le onde sonore che hanno frequenza minore di 20 Hz sono dette
infrasuoni
, mentre quelle che hanno frequenza superiore ai 20 000 Hz sono dette
ultrasuoni
, e vengono percepiti solo da alcune specie animali, come i cani e i pipistrelli.

La nostra capacità di percepire le onde sonore come suoni o rumori deriva dalla pressione che, dall’aria come mezzo materiale in cui esse si propagano giunge all’orecchio fino al timpano, una membrana che si contrare o si espande a seconda che l’aria sia rispettivamente compressa o rarefatta; questo movimento viene trasmesso alle particelle del liquido che si trova nella coclea, una struttura a spirale collegata agli ossicini. I movimenti di questo liquido vengono trasmessi ai nervi, in particolare il nervo acustico, che inviano l’impulso al cervello il quale, infine, elabora i segnali ricevuti sotto forma di suoni o rumori.

Percezione del suono e limiti di udibilità

Quando una particella del mezzo è investita dall’onda, oscilla avanti e in dietro seguendo la direzione di propagazione dell’onda stessa.
Per questo motivo, le onde sonore sono longitudinali.

Le onde sonore sono determinate da spostamenti delle particelle del mezzo materiale intorno alla loro posizione di equilibrio, ognuna delle quali trasmette il proprio movimento alle particelle adiacenti, grazie alle proprietà elastiche del mezzo; le particelle a loro volta, ricevendo l’energia, oscillano trasmettendo il movimento alle particelle vicine e queste ad altre ancora, provocando una variazione locale della pressione: le oscillazioni periodiche prevedono l’alternarsi di zone a pressione maggiore e zone «rarefatte», a pressione minore.

Se invece consideriamo le rispettive velocità della sorgente e dell’osservatore:
Quando la sorgente è ferma, i fronti d’onda delle onde sonore emesse hanno forme sferiche concentriche, che vengono percepite allo stesso modo (con la stessa lunghezza d’onda e la stessa frequenza) sia da un osservatore che si trova davanti sia da uno che sta dietro la sorgente;
Quando l’osservatore è fermo ma non la sorgente, i fronti d’onda delle onde sonore da questa emesse risultano «concentrati» nella parte antistante la sorgente, come se con il suo movimento comprimesse i fronti d’onda uguali e concentrici di quando era ferma. In questo modo, la lunghezza d’onda diventa minore davanti alla sorgente, dove un osservatore sentirà il suono a una frequenza maggiore, più intensa, ma maggiore dietro la sorgente, dove un osservatore sentirà il suono molto meno intenso.

Nella prima figura l’ascoltatore si trova davanti alla sorgente, in questo caso un’ambulanza, che quindi gli si avvicina. Il suono emesso dalla sirena ha in questo caso una frequenza d’onda piccola, alla quale corrisponde un’intensità del suono più elevata: l’osservatore avrà la percezione di un suono decisamente «ad alto volume», più di quanto non sia il suono realmente emesso.
Nella seconda figura l’osservatore si trova dietro la sorgente: a mano a mano che questa si allontana, il suono gli giungerà con una lunghezza d’onda molto più ampia e una frequenza molto più bassa; di conseguenza, il suono avrà un’intensità notevolmente inferiore rispetto al reale suono emesso dalla sirena.

Prende il nome del fisico che lo scoprì, Christian Doppler, e consiste nel fenomeno per il quale un’onda sonora può essere percepita diversamente a seconda che l’osservatore e la sorgente da cui l’onda proviene abbiano una velocità diversa rispetto a quella del mezzo in cui questa si propaga e in base anche alla posizione dell’osservatore rispetto alla sorgente.

Effetto doppler

Si parla di
interferenza distruttiva
nel caso in cui, invece, le due onde che si incontrano sono in opposizione di fase e ciò determina una perturbazione complessiva minore rispetto alle due singole perturbazioni, che si annullano a vicenda.

Riguardo l’interferenza, anche per le onde sonore può essere di due tipi: si dice
costruttiva
se le due onde si trovano nella stessa fase, e quindi l’interferenza dà luogo a una perturbazione maggiore di quelle prodotte dalle onde singolarmente: in questo caso l’intensità del suono diventa per un attimo molto più elevata rispetto a quella del suono diretto.

Come tutte le onde, anche quelle sonore si possono sovrapporre, e ciò avviene nel momento in cui, indipendentemente dalla loro natura, due onde attraversano lo stesso punto del mezzo materiale in cui si propagano nel medesimo istante.
In particolare, due onde sonore si sovrappongono, come accade anche per altri tipi di onde, in base al principio di sovrapposizione per il quale due onde che si incontrano in uno stesso punto del mezzo materiale provocano una perturbazione equivalente alla somma algebrica delle perturbazioni provocate dalle due onde singolarmente; nel caso delle onde sonore, però, oltre al fenomeno noto come interferenza, se ne può verificare un altro, la diffrazione.

Interferenza e diffrazione

Si tratta di un fenomeno che si verifica alla presenza di un ostacolo, contro il quale l’onda sonora viene riflessa. Essa è perciò percepita dall’orecchio come un secondo suono che segue il primo (emesso dalla sorgente e che si propaga nell’aria); il secondo suono ha un’intensità minore rispetto al primo e dista da questo non meno di 1/10 di secondo.
Ha un ruolo importante anche la distanza tra la sorgente e il corpo o la parete che funge da ostacolo all’onda: quando la distanza è molto breve, il suono diretto non è seguito da un’eco perché l’orecchio umano non riesce a percepire la distanza tra le due onde. In questo caso, il suono appare come "amplificato" ed è percepito come un riverbero.

L’eco
Full transcript