Cos'è un'onda

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Le onde costituiscono un affascinante fenomeno naturale, che vale la pena studiare in sé, sia per la varietà e la bellezza dei fenomeni che da esse scaturiscono, sia per l'eleganza e l'ingegnosità dei metodi matematici e sperimentali che sono stati sviluppati dall'uomo nel corso dei secoli per descriverle, sia perché le onde permeano moltissimi aspetti della nostra vita attraverso le più diverse applicazioni tecnologiche.

Che cos'è un'onda

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Il termine onda, prima che essere un termine scientifico, è una parola comune con una storia antichissima. Esso proviene dalla parola latina unda, che, come in italiano, indica le increspature alla superficie dell'acqua. Ma il collegamento con l'acqua è molto più profondo. Infatti il termine latino si rifa alla radice greca hyd- che compare nella parola hydor, che vuol dire, appunto, "acqua", e si ritrova in italiano in tutte le parole che iniziano per "idr-", come idraulico, idrico, ecc. La radice, tuttavia, è ancora più antica, e risale all'indoeuropeo, e cioè ad un tempo in cui quasi tutte le lingue europee (ed alcune asiatiche) erano un'unica lingua. La radice indoeuropea è vud-, o vad-, e tutt'oggi è riconoscibile in moltissime lingue antiche e moderne, ad indicare l'acqua, o concetti strettamente collegati. (Sanscrito: udnah, Hittita watar, Gotico wato, Inglese water, Tedesco Wasser, Fiammingo water, Lituano vanduo, Gaelico uisge, Russo voda, e simile in molte lingue slave). Anche se le onde nell'acqua sono in realtà solo un particolare tipo di onde (si veda ad esempio onde trasversali e longitudinali ed equazione delle onde nell'acqua), mi piace pensare che ad una parola così ancestrale sia collegato un concetto che, in fisica, ha ugualmente larga diffusione, e grande importanza.

Ma una scienza esatta deve definire con precisione i suoi termini, a volte anche attribuendo a certe parole un significato diverso da quello comune.

Qual'è dunque il significato di onda in fisica?
l'onda è una perturbazione che si propaga nello spazio e che può trasportare energia da un punto all'altro. Tale perturbazione è costituita dalla variazione di qualunque grandezza fisica (es. variazione di pressione, temperatura, intensità del campo elettrico, posizione, ecc..)


Onde: istruzioni per l'uso

Ecco solo qualche esempio:

  1. Molti fenomeni naturali sono descritti in termini di onde
    • Le onde nell'acqua sono insieme il prototipo dell'onda, come illustrato nel paragrafo precedente, e un caso piuttosto particolare, in quanto sono onde che interessano prevalentemente la superficie di separazione tra due mezzi (aria e acqua), e quindi hanno caratteristiche meno generali delle onde che viaggiano in un mezzo omogeneo (si veda Onde trasversali e longitudinali, Equazione delle onde nell'acqua).
    • La questione sulla natura della luce è un tipico esempio di un caso più difficile da decidere. Teorie opposte a sostegno della natura corpuscolare e ondulatoria della luce si sono susseguite fino dall'antichità, ed hanno trovato un'originale soluzione nella fisica contemporanea, secondo cui sia la radiazione, sia la materia posseggono tratti comuni a particelle e a onde, quando sono osservate ad un livello microscopico (si veda raggio d'onda, indeterminazione).
    • Nel caso delle onde elettromagnetiche, a causa della complessità della loro interazione con la materia, onde della stessa natura fisica possono avere effetti diversissimi a seconda della loro frequenza, variando dalle onde radio usate nelle telecomunicazioni, alla luce visibile, alle pericolose radiazioni ionizzanti come i raggi X e i raggi gamma.
    • Le onde sonore, oltre che uno dei mezzi fisiologici di comunicazione dell'uomo, sono in realtà un tipo particolare di onde meccaniche cui è dedicata l'intera sezione Il suono e la sua percezione.
    • Le onde meccaniche, peraltro, riguardano molteplici aspetti della nostra vita quotidiana, da quelli più palesi su piccola scala riguardanti oscillazioni e vibrazioni (si veda fenomeni di risonanza nei sistemi meccanici), a quelli meno evidenti, ma non meno importanti su vasta scala, come le onde planetarie, che si manifestano nei fluidi dell'oceano e dell'atmosfera a causa della rotazione della terra.
  2. Se le modalità di propagazione di un'onda in un certo mezzo sono note, l'onda stessa diviene un potente strumento di indagine delle proprietà di quel mezzo. Per esempio:
    • misurare le proprietà delle onde sismiche quali ampiezza, direzione di oscillazione, tempi di arrivo al sismografo non solo indica dove si trova l'epicentro di un terremoto, ma può dare preziose informazioni riguardo alla struttura interna della terra.
    • La maggior parte delle proprietà della materia al livello molecolare o atomico sono misurate irraggiando un campione con onde (in genere elettromagnetiche come luce visibile, ultravioletta, raggi X, raggi gamma, ma anche fasci di elettroni o neutroni), ed osservando la reazione del campione.
    • Lo stesso principio sta alla base di molte delle moderne tecniche diagnostiche in medicina: I raggi X (radiografia) o gli ultrasuoni (ecografia) sono utilizzati per "vedere" parti del corpo che non sono visibili dall'esterno con la normale luce visibile.
    • Anche la scienza della conservazione e restauro delle opere d'arte si avvale di tecniche basate sull'uso di opportune spettroscopie (fluorescenza, assorbimento, trasmissione nelle bande ottica, infrarossa, ultravioletta, X)
    • Le indagini scientifiche sono oggi uno strumento fondamentale per le forze dell'ordine, e, basandosi su un insieme di tecniche di indagine fisico-chimico-biologiche consentono di acquisire elementi per ricostruire una scena del crimine che sono spesso determinanti ai fini delle indagini. Di nuovo l'utilizzo di onde elettromagnetiche di vario tipo per rivelare la presenza di vari tipi di tracce, o per analizzarle è ormai divenuta prassi comune.
    • Spesso illuminando certe sostanze con onde di un certo tipo se ne evidenziano aspetti che altrimenti rimangono nascosti: in mineralogia è prassi comune utilizzare la luce di Wood (ultravioletti) per verificare la luminescenza dei minerali, e i reparti scientifici della polizia utilizzano metodi simili per evidenziare tracce organiche altrimenti invisibili sulla scena di un crimine.
    • Misurare il cambiamento di direzione di un'onda luminosa quando passa dall'aria al vetro ci dice il valore dell'indice di rifrazione del vetro rispetto a quello dell'aria (si veda la sezione rifrazione), ma in generale, il colore o la trasparenza, la riflettività, e tutte le proprietà ottiche di un materiale sono il frutto dell'interazione (che può essere molto complessa) di quel materiale con le onde elettromagnetiche.
    • Osservare come un'onda viene riflessa o trasmessa all'interfaccia tra due sostanze diverse indica direttamente quanto i mezzi si oppongono alla trasmissione di energia da parte dell'onda stessa (si veda la sezione rifrazione in una dimensione), e ci consente di ottimizzare l'accoppiamento tra diversi mezzi (come un amplificatore HiFi e il microfono, o gli altoparlanti), per trarne la massima efficienza
    • Le onde permettono di studiare fenomeni distanti nello spazio e nel tempo: l'astronomia e l'astrofisica basano le loro osservazioni sullo studio dello spettro delle radiazioni elettromagnetiche provenienti dai corpi celesti, dalla materia interstellare, e dallo spazio profondo. Le radiazioni studiate occupano tutto lo spettro delle onde elettromagnetiche, e provengono da distanze tali che la loro origine può risalire a tempi remoti quanto i primi istanti di vita dell'universo. Inoltre, gli spostamenti in frequenza per effetto Doppler ci danno informazioni sull'evoluzione dell'universo.
    • Infine, la teoria della relatività generale prevede che onde gravitazionali consistenti in una fluttuazione nella curvatura dello spaziotempo possano essere generate in certi casi (come da un sistema binario, o nell'esplosione di una supernova) e propagarsi nello spaziotempo.
  3. Le onde trasportano energia e quantità di moto. Si parla in tal caso di energia radiante, o radiazione.
    • In ogni film di fantascienza non mancano potentissimi e letali, quanto fantomatiche, "armi a raggi", e subito poco dopo la sistemazione dell'elettromagnetismo alla fine del XIX secolo, gli scienziati cercavano il modo di sfruttare le onde elettromagnetiche per trasferire energia (Si veda per esempio questo brevetto di un sistema senza fili del 1900 ad opera di Tesla). Ciò indica quanto grande sia l'impatto sull'immaginario dell'idea di trasmettere l'energia a distanza. Una vasta serie di applicazioni consente di rendere più efficiente il trasporto e l'impiego dell'energia a mezzo onde, dal laser al forno a microonde. Tuttavia il primo e più semplice dispositivo atto ad irraggiare e indirizzare l'energia prodotta da una sorgente è l'antenna (si veda anche antenne e interferenza).
  4. L'energia trasmessa può diventare informazione, e le onde divengono il più efficace e rapido mezzo di comunicazione.
    • Le onde si prestano a veicolare un'informazione attraverso una modulazione delle loro proprietà. Infatti, per esempio, nelle comunicazioni radio si distinguono comunicazioni in modulazione di ampiezza (AM), di frequenza (FM), e di fase (PM), ecc.
    • Le onde sonore sono il mezzo naturale della comunicazione vocale, mentre le onde elettromagnetiche sono il principale mezzo di comunicazione a distanza del nostro pianeta.
    • Gran parte della scienza delle telecomunicazioni è stata dedicata al problema di come generare segnali adatti alla trasmissione dei diversi tipi di informazioni, e trasmetterli alla massima distanza possibile minimizzando al contempo il rumore nel canale di trasmissione. Buona parte dell'elettronica analogica e digitale si occupa della generazione, del condizionamento, della trasmissione e della ricezione del segnale.

Come potete vedere alcuni fenomeni ed applicazioni sono molto noti e diffusi, anche se l'effettiva comprensione di ciò che accade esattamente nei singoli casi può essere complessa. La buona notizia è che le onde possiedono alcune caratteristiche molto generali, che consentono di comprendere i principali aspetti del loro comportamento in modo semplice. Le pagine di questo sito sono dedicate alla presentazione di questi aspetti.

Principali caratteristiche delle onde

Ora cerchiamo di cogliere alcune caratteristiche delle onde basandoci su alcuni esempi semplici

Che cosa vibra in un'onda?

Come già detto: l'onda è una perturbazione che si propaga nello spazio e che può trasportare energia da un punto all'altro. Tale perturbazione è costituita dalla variazione di qualunque grandezza fisica (es. variazione di pressione, temperatura, intensità del campo elettrico, posizione, ecc..) attorno alla sua posizione di equilibrio (che corrisponde all'assenza di perturbazione).

  • L'aspetto più importante che emerge dalla definizione è che l'onda è una perturbazione che viaggia: a prima vista sembra necessario affinché ciò avvenga la presenza di un mezzo che sperimenti, al passaggio dell'onda, una qualche forma di oscillazione locale senza trasporto. Vale a dire che le particelle del mezzo stesso non viaggiano assieme all'onda, ma viaggia solo la perturbazione che esse subiscono. È ciò che avviene nelle cosiddette onde meccaniche. Quindi la risposta alla domanda posta come titolo del paragrafo è che a vibrare sono le particelle del mezzo in cui si propaga l'onda

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  • Tale risposta, apparentemente ovvia, è stata ritenuta valida incondizionatamente fino al 1905 (l'anno in cui Einstein scrisse l'articolo "Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento" in cui introduce la Teoria della relatività ristretta): dopotutto, si pensava, se c'è qualcosa che si propaga occorre si sia un mezzo che trasmetta la propagazione. In realtà le onde elettromagnetiche, la cui esistenza è stata teoricamente prevista dal fisico scozzese J. C. Maxwell nel 1865, hanno la straordinaria proprietà di propagarsi nel vuoto (se con vuoto intendiamo l'assenza completa di materia). A "vibrare", in questo caso, è un ente immateriale detto campo elettrico-magnetico: malgrado la sua immaterialità tale campo produce effetti reali a tutti noti (ad esempio le moderne telecomunicazioni si basano sulla propagazione di tali campi, o ancor più semplicemente, la luce non è altro che un'onda elettromagnetica particolare)


Come viaggia il disturbo

  • Il classico esempio è quello della "ola" allo stadio....nel quale si vedono "tifosi" che si alzano e si abbassano rimanendo però sempre al proprio posto senza seguire la perturbazione che si sposta lungo le gradinate dello stadio
  • Un altro esempio si ha nel caso di un flauto in cui l'aria viene messa in oscillazione dal fiato del musicista
  • In che cosa differiscono i due esempi? Nel primo caso è facile osservare che ciò che oscilla (gli omini) lo fa in direzione perpendicolare alla direzione di propagazione della perturbazione (si parla di onde trasversali) mentre nel secondo ciò che oscilla (le singole particelle) lo fa in direzione parallela a quella di propagazione della propagazione (si parla allora di onde longitudinali)
onda longitudinale onda trasversale
Barra long fisso libero.gif Barra trasv fisso libero.gif
L'onda consiste nel propagarsi del disturbo "compressione", che corrisponde al colore arancio sulle connessioni tra le masse. L'onda consiste nel propagarsi del disturbo "spostamento verticale", che è associato a compressioni e dilatazioni nelle superfici superiore e inferiore del mezzo.

In realtà esistono altri tipi di onde in cui la relazione tra direzione di propagazione e di oscillazione è più complicata. Se vuoi vederne una rassegna animata visita la pagnina Onde trasversali e longitudinali

un originale esempio di "ola" longitudinale "ola" tradizionale
Modello ola.gif
© 1992 Studio Ghibli © D. Helbing, I. Farkas, T. Vicsek

"Scontri" e interazioni tra onde

  • Il tratto più caratteristico delle onde, al di là della loro peculiare descrizione fisica, emerge quando due onde pervengono, nel medesimo istante, in uno stesso punto dello spazio. Come avviene la loro "interazione"? Si scontrano forse come farebbero, ad esempio, due carrelli che dopo l'urto si accartocciano?

La risposta è sorprendente: un'immagine vale più di mille parole!!

Interferenza "costruttiva" Interferenza "distruttiva"
Impulsi in fase.gif Impulsi controfase.gif
due impulsi perfettamente lineari si "scontrano", si sovrappongono, e continuano indisturbati il loro viaggio due impulsi hanno segno opposto: c'è un momento in cui la loro somma è nulla, ma subito dopo essi riemergono e continuano indisturbati

Le onde si "passano attraverso" indisturbate e, quando occupano la medesima posizione nello spazio, sommano o sottraggono le loro ampiezze. I fisici dicono che le onde soddisfano al principio di sovrapposizione e che, al momento dello "scontro" (il termine non sembra davvero più opportuno!), interferiscono. In realtà il principio di sovrapposizione non vale incondizionatamente: tuttavia anche nelle situazioni in cui esso non è valido, le onde sperimentano un'interazione che porta le loro ampiezze a rinforzarsi o a cancellarsi (anche se non più esattamente come somma o differenza delle ampiezze).

Come si descrive un'onda

Nella comune percezione quando osserviamo un'onda rileviamo subito alcune caratteristiche che ne rendono complessa la descrizione: l'onda si estende nello spazio, si propaga facendo variare nel tempo il suo "profilo". Tale variazione avviene spesso in modo ripetitivo facendoci percepire una sorta di regolarità che spesso associamo a sensazioni gradevoli (con le onde ci si può cullare, si può ascoltare musica, ci si può abbronzare...). A volte invece l'onda si presenta sotto forma di un unico minaccioso impulso che avanza inesorabilmente (si pensi ad uno tsunami). I fenomeni che coinvolgono le onde sono di una varietà sorprendente. Cercheremo di descrivere molti di essi a livello qualitativo; ovviamente volendo pervenire ad una trattazione quantitativa di livello più elevato saremo "costretti" ad introdurre concetti fisico-matematici (es. periodo, frequenza, lunghezza d'onda, tempo di ritardo,ecc...) Se vuoi approfondire questi aspetti visita la pagina Come si descrive un'onda?

Approfondimenti e collegamenti

  • Se vuoi vedere animazioni di fenomeni ondulatori in tutta la loro "spettacolarità" non puoi non visitare il nostro laboratorio virtuale sulle onde. Per ora divertiti a "giocare" con l'applet, selezionando sorgenti che oscillano, variando frequenze, costruendo pareti. Non ti porre troppe domande: osserva ed incuriosisciti. Ti consigliamo la vista 3D!!
  • Ogni tipo di onda è soggetta a fenomeni che ne costituiscono, per così dire, il marchio di fabbrica: nelle sezioni dedicate alla riflessione, alla rifrazione, all'interferenza, alla diffrazione e al principio di sovrapposizione troverai ampi approfondimenti. Leggendo queste pagine, anche senza una preparazione matematica specifica, comprenderai appieno la vastità e la complessità dei fenomeni che possono essere descritti dal concetto unificante di onda.
  • Se sei un musicista non puoi non visitare la sezione dedicata alle onde sonore: qui troverai gli elementi minimi (non vi è nemmeno una formula! ) per comprendere la peculiare descrizione che si dà dell'onda nel caso essa descriva un fenomeno sonoro. Poi, non potrai fare a meno di visitare la sezione Dai suoni alla musica; qui "giocherai in casa" ma non per questo non troverai sorprese: il linguaggio musicale che ben conosci ti apparirà sotto una luce nuova.
  • Se sei interessato a comprendere il funzionamento degli strumenti musicale pagina relativa

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