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Le Onde Elastiche e il Suono

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by

Maria Carmen Pagano

on 8 October 2015

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Transcript of Le Onde Elastiche e il Suono

Le Onde Elastiche e il Suono
Cenni Storici: da Pitagora a Galilei

-Le prime ricerche sistematiche sui suoni, cioè le prime ricerche di acustica,nell’antichità classica, risalgono a
Pitagora
e alla sua scuola, a cui sono dovuti gli studi sui suoni emessi da tubi sonori e corde vibranti

-Si deve a
Vitruvio
la scoperta dell’analogia fra il meccanismo di propagazione del suono e il movimento delle onde su uno specchio d’acqua e a
Plinio il Vecchio
la constatazione che il suono si propaga con velocità molto minore della luce

-Tolomeo
, invece, evidenziò l’idea che l’altezza di un suono dipende dalle proprietà meccaniche della sorgente sonora

-Lo studio sperimentale sistematico dei fenomeni sonori ha inizio con 
Galilei
cui si devono le ricerche sulla natura del suono e sui suoi caratteri, sulle proprietà delle corde vibranti e sui metodi per la determinazione della velocità del suono

-Sagredo
, nel 1615, dimostra che il mezzo di trasmissione del suono è l’aria,
Mersenne
effettua la prima determinazione della velocità del suono

-Nel 1663
Von Guericke
dimostra che il suono si propaga non solo nell’aria ma anche nei liquidi e nei solidi

Cenni Storici: da Taylor ai tempi moderni

-Si moltiplicano quindi le misurazioni della velocità del suono nell’aria e si precisa l’influenza su di essa di vari fattori: vento, temperatura, ecc.

-Taylor
affronta lo studio delle corde vibranti,
Lagrange
, nel 1762, produce la teoria dei tubi sonori e nel 1786
Riccati
illustra le leggi che regolano le vibrazioni delle membrane.

-Nel 19° sec.
Von Helmholtz
e
lord Rayleigh
studiano la propagazione ondosa e gli aspetti energetici di questa, mentre nel 1877 l’invenzione del fonografo e del microfono pone il problema della registrazione, della riproduzione e della trasduzione elettrica del suono.

Gli Anni Moderni hanno sempre più evidenziato l’enorme interesse culturale e sociale che lo sviluppo in questi settori ha avuto sulla vita dell’Uomo.

Lo Studio quindi delle Onde Elastiche e del Suono, cardine della Fisica, diventa oggi sempre più patrimonio culturale e scientifico multidisciplinare e multiprofessionale integrato, in grado di avere sviluppi determinanti per il progresso scientifico del Mondo.


Che cosa sono le onde?

Un’
onda
è una
perturbazione
che si propaga trasportando energia ma non materia

Per constatare come un'onda non trasporti materia, ma solo energia, si può osservare un esperimento di questo tipo; una goccia di pioggia che cade in una pozzanghera o in un corso d'acqua
Cosa si può osservare?

Le molecole d'acqua non si spostano, ma restano dove sono, mentre l'onda stessa è capace di mettere in movimento molecole d’acqua sempre più lontane.
Per questo motivo, l'acqua è il mezzo materiale con cui si propaga un'onda, mentre la goccia d'acqua è la sorgente.
Un'onda può essere:
Trasversale
: quando la direzione della perturbazione è
perpendicolare
alla direzione di propagazione dell’onda. Un esempio può essere un'onda sismica secondaria
Longitudinale
: quando la direzione della perturbazione è
parallela
alla direzione di propagazione dell'onda. Un esempio possono essere le onde sonore e le onde sismiche di tipo P (causate da terremoti o esplosioni)
moto dell'onda
moto dell'onda
Elastica
: quando un 'onda di tipo meccanico si propaga tramite un mezzo materiale in cui le caratteristiche fisiche del mezzo sono di tipo elastico e in cui sia verificata la
legge di Hooke
Legge di Hooke
N.B.
:
NON
sono onde elastiche le
onde RADIO
e la
LUCE
in quanto si propagano nel vuoto, dove non c'è alcun mezzo materiale a propagarle
Le onde marine
sono un particolare tipo di onda perchè sono contemporaneamente
trasversali
e
longitudinali
, ma NON elastiche
F=-kx
Inoltre un'onda può essere definita
PERIODICA
quando si ripete in modo identico in un intervallo di tempo costante
Un'onda periodica è provvista delle seguenti caratteristiche
Lunghezza d'onda
: è la minima distanza dopo la quale un'onda periodica si produce uguale a se stessa. La sua unità di misura è espressa in METRI(m) e il suo simbolo è
L'ampiezza
: è la massima elongazione dall'asse di equilibrio.
Il periodo
(T) è un intervallo di tempo necessario affinchè si possa compiere un'oscillazione completa,passando da un punto ad un altro con le medesime caratteristiche. La sua unità di misura è il tempo(s)
La frequenza(f)
: è il numero di oscillazioni complete compiute nell'intervallo di tempo di 1 s. La sua unità di misura è in Heartz(Hz)
Essendo la frequenza l'inverso del periodo,e viceversa, le formule per calcolarli si scriveranno nel seguente modo:
T= 1/f f=1/T

La
velocità di propagazione
di un'onda è soggetta al moto circolare uniforme ed indica la distanza di una lunghezza d'onda nell'intervallo di tempo di un periodo




Il
suono
è un'
onda longitudinale
nella quale la sorgente del suono è un corpo che vibra e crea nell'aria zone di compressione e di rarefazione
I
l
suono
si propaga in tutti i corpi elastici,dove determina rarefazioni e compressioni (aria,acqua ed ogni sostanza con massa) ma non si propaga nel
VUOTO
perchè non avrebbe cosa comprimere.
Questa variazione di pressione arriva all’orecchio nel cui interno la
MEMBRANA DEL TIMPANO
viene spinta all’interno quando l’aria è compressa ed aspirata all’esterno quando l’aria è più rarefatta




N.B.
Un'
onda sonora
ha le seguenti caratteristiche
L'
intensità sonora
è il rapporto dell'energia che colpisce una determinata superificie di area e l'intervallo di tempo
L'intensità sonora si misura in J(Joule) al secondo al metro quadrato, cioè in W/m2.
Un'
onda sonora
per essere udibile deve avere una
frequenza
compresa
tra i 20 Hz e i 20.000 Hz


Come tutte le onde, anche il suono trasporta energia man mano che si propaga (lo conferma il fatto che un suono molto intenso può mandare in frantumi i vetri di una finestra). Per questo possiamo associare ad ogni sorgente sonora una potenza. La potenza è l'energia che viene emessa dalla sorgente diviso l'intervallo di tempo nel quale questa energia viene emessa. Anche in questo caso la potenza si misura in watt.

La potenza acustica è importante anche per definire meglio da un punto di vista quantitativo l'intensità del suono che abbiamo introdotto nella precedente sezione. L'intensità di un suono I è il rapporto tra la potenza acustica P che attraversa una certa superficie perpendicolare alla direzione di propagazione del suono e l'area della superficie stessa A, ossia I = P / A.
L'unità di misura dell'
intensità nel Sistema Internazionale
è il
watt su metro quadro (W / m2).

Esiste un'intensità minima che l'orecchio umano può percepire, pari a Imin = 10-12 W / m2. Esiste anche un'intensità massima Imax = 10-2 W / m2 oltre alla quale si possono verificare danni per l'orecchio. Un'unità molto utilizzata per l'intensità sonora è anche il
decibel
. Dal momento che l'orecchio percepisce i suoni in base al logaritmo della loro intensità, il decibel è una scala logaritmica.

L' Eco è la Riflessione delle Onde Sonore.
In tale fenomeno, l'onda percorre due volte la distanza d
tra la sorgente del suono e la parete
Il nostro orecchio percepisce due suoni in modo distinto se intervallati da 1/10 di secondo. In tale intervallo di tempo il suono percorre circa 34 metri. Ciò implica che l'ostacolo deve trovarsi a circa 17 metri dal luogo di partenza del suono









Se la distanza è minore di 17 metri l'orecchio umano NON distingue suono ma avverte la sensazione del RIMBOMBO
Nel 1842, il Fisico tedesco Christian Johann Doppler ha previsto questo effetto per le onde luminose. Ma tale effetto lo si riscontra per le onde sonore e per tutte le onde: radio, luce, ecc.
L'ecolocalizzazione
L’
effetto Doppler
è un fenomeno che coinvolge il cambiamento dell’acutezza di un suono quando la sorgente che lo produce si muove oppure quando noi ci muoviamo verso la sorgente. In particolare,
quando osservatore e sorgente si avvicinano
, il suono percepito dall’osservatore è
più acuto
del suono originale, mentre
quando essi si allontanano uno dall’altro
il suono ha un’
acutezza minore
del suono originale. L’effetto Doppler non vale tuttavia solo per le onde sonore, bensì per tutti i fenomeni che coinvolgono le onde: ad esempio le galassie che si spostano lontano dalla nostra mostrano una luce con frequenza inferiore alla loro originale
EFFETTO DOPPLER
Qualora la sorgente sia ferma e il ricevitore in movimento, la formula per calcolare la frequenza sarà l'inverso di questa, ovvero il denominatore al posto del numeratore e viceversa
L'
acustica
(dal greco "udire") è quella branca della
fisica
che
studia il suono
, le sue cause - le onde di pressione -, la sua propagazione e la sua ricezione
L'inquinamento acustico è causato da un'eccessiva esposizione a suoni e rumori di elevata intensità e questo può avvenire in città e in ambienti naturali
Inquinamento acustico
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