Onde trasversali e longitudinali

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  • Come abbiamo visto nella pagina Cos'è un'onda, l'onda non propaga le particelle del mezzo in cui essa si muove, ma solo la loro energia. Le particelle del mezzo si limitano ad oscillare attorno a posizioni di equilibrio, ma non seguono la "cresta" dell'onda nel suo moto.
  • L'onda, tuttavia, in genere sposta energia da un luogo all'altro nello spazio, e quindi ha una precisa direzione di propagazione.
  • Fissata la direzione di propagazione dell'onda, le particelle del mezzo possono oscillare in diversi modi rispetto a questa direzione, a seconda delle forze che agiscono su di esse.
  • Si possono quindi classificare le onde a seconda del modo in cui le particelle del mezzo si muovono rispetto alla direzione di propagazione dell'onda.

Esaminiamo quali sono i casi possibili mediante alcuni esempi.

Esempi per immagini

Il caso più semplice: la catena in un piano

  • In queste due immagini una catena formata da palline collegate con delle piccole funi o molle e' messa in oscillazione. Per chiarezza sono mostrate solo le palline, e non gli elementi che le collegano.
  • Consideriamo dapprima il moto in sole due dimensioni (cioè nel piano dello schermo). Si vede chiaramente che sono possibili due diversi tipi di moto:
  • in entrambe le figure l'onda si muove da sinistra a destra, ma le palline oscillano in modo completamente diverso. Nel primo caso esse oscillano in orizzontale, mentre nel secondo in verticale. Per evidenziare il loro moto abbiamo dipinto di rosso due palline di riferimento.


Onda longitudinale Onda trasversale
Catenalong.gif Catenatrasv.gif
Le palline oscillano nella stessa direzione di propagazione dell'onda Le palline oscillano nella direzione perpendicolare a quella di propagazione dell'onda

Più difficile: un solido in un un piano

  • Vediamo ora cosa accade quando, anziché considerare una catenella, studiamo un solido costituito da un insieme di palline (atomi?) nel piano dello schermo. Di nuovo consideriamo solo oscillazioni che avvengono nel piano dello schermo.
  • Nelle seguenti immagini abbiamo evidenziato con un pallino blu il moto dell'onda, seguendone una cresta, mentre un pallino rosso evidenzia quattro atomi scelti come riferimento.
  • Anche in questo caso abbiamo i due tipi di onde che vedevamo nella catena: nel primo caso gli atomi oscillano longitudinalmente a destra e a sinistra, mentre nel secondo trasversalmente in alto e in basso.
Onda longitudinale Onda trasversale
Solidolong.gif Solidotrasv.gif
Gli atomi in un piano orizzontale del solido restano nel piano orizzontale e oscillano avanti e indietro nella stessa direzione di propagazione dell'onda Gli atomi in un piano verticale del solido restano nel piano verticale e oscillano in direzione perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda

Tuttavia ora è più facile accorgersi che è possibile anche avere onde che non sono né trasversali né longitudinali: gli atomi si possono anche muovere descrivendo dei cerchi (o delle ellissi). Questo tipo di onde sono particolarmente evidenti quando raggiungono la superficie di un solido o di un liquido.

Sempre più difficile: onde alla superficie

  • Nelle prossime due figure si vedono onde che riguardano particolarmente la superficie di un mezzo, infatti si vede che andando in profondità le oscillazioni delle particelle divengono sempre più piccole: le onde si smorzano.
  • Queste onde non sono né puramente longitudinali né puramente trasversali: le particelle si muovono in piccole ellissi, o cerchi.
Onda di superficie (di Rayleigh) Onda di gravità alla superficie di un liquido
Solidorayleigh.gif Liquido.gif
Questo tipo di onda scuote la superficie terrestre durante i terremoti, insieme anche ad onde longitudinali e trasversali illustrate sopra. Si osservi che le particelle ruotano "all'indietro" rispetto alla direzione di propagazione dell'onda. Queste sono tipicamente le onde che vediamo sulla superficie del mare. Si osservi che le particelle ruotano "in avanti" rispetto alla direzione di propagazione dell'onda.

Conclusioni

  1. Abbiamo visto che le onde si possono classificare in trasversali o longitudinali a seconda che l'oscillazione delle particelle del mezzo avvenga nella stessa direzione in cui l'onda si propaga, o in direzione perpendicolare.
  2. Abbiamo visto che esistono anche moti più complessi, che si possono pensare come combinazioni di moti longitudinali e trasversali. Si vedano le seguenti animazioni, frutto di simulazioni numeriche su strutture modello composte da masse ed elementi elastici ideali.
onda trasversale onda di superficie
Barra trasv fisso libero.gif Barra rayl.gif
Un'onda puramente trasversale. Un'onda complessa che contiene sia una componente trasversale, sia una longitudinale. La componente longitudinale anticipa di un quarto di periodo quello trasversale, e i si osservano le due compressioni (colore arancio sulle connessioni tra le masse) viaggiare una di seguito all'altra.

Cosa accade nei gas?

  • In un gas, le forze di attrazione tra le molecole sono molto più deboli di quelle che legano le molecole di un solido, e lo stesso vale per le forze di superficie, che sono rilevanti in un liquido.
  • Di conseguenza, mentre in un solido, possono propagarsi sia onde trasversali sia onde longitudinali, in un gas esistono solo le onde longitudinali, o di compressione.
  • Le onde sonore sono appunto onde meccaniche di compressione.

Le seguenti figure rappresentano particelle disordinate quali sono le molecole in un gas.

Onde longitudinali: possibili in un gas Onde trasversali: impossibili in un gas
Ondalong.gif Ondatrasv.gif
Le onde sonore sono onde di compressione, e si propagano sia nei solidi, sia nei gas Le onde trasversali qui rappresentate possono propagarsi in un solido non cristallino (in cui gli atomi non sono disposti in un reticolo, ma sono disordinati), ma non in un gas perché le forze trasversali (tecnicamente il modulo di taglio) sono troppo piccole

Cosa accade quando non ci sono particelle?

  • Nel caso delle onde meccaniche, come quelle visualizzate negli esempi di sopra, l'onda ha sempre bisogno di un mezzo materiale "di supporto". Infatti l'onda altro non è se non la propagazione di energia meccanica attraverso le particelle del mezzo.
  • Le onde elettromagnetiche come la luce e le onde radio però possono anche propagarsi nel vuoto, e la loro oscillazione lì non corrisponde all'oscillazione di nessun atomo o molecola.
  • Tuttavia le onde elettromagnetiche si possono ugualmente definire trasversali perché le grandezze che oscillano, che sono il campo elettrico e magnetico, oscillano sempre perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda.

Anche nel caso delle onde elettromagnetiche è possibile combinare onde trasversali di diverso tipo per ottenere moti non puramente trasversali. Si parla allora di polarizzazione.


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