${\displaystyle \frac{T}{\mu }=c^2}$

ha le dimensioni del quadrato di una velocità.

Infatti, scrivendo l'equazione delle onde nella corda come

${\displaystyle \frac{{\partial }^{2}y}{\partial x^2}=\frac{1}{c^2}\frac{{\partial }^{2}y}{\partial t^2}}$,

si vede che i numeratori hanno le stesse dimensioni, e il denominatore di sinistra ha le dimensioni del quadrato di una lunghezza; pertanto il denominatore di destra deve avere anch'esso dimensioni pari al quadrato di una lunghezza.

La costante c è importante perché è proprio la velocità con cui le onde si propagano nella corda. Nel nostro caso ideale è la velocità con cui tutte le onde si propagano nella corda.

Lo si dimostra osservando che qualunque funzione della forma

${\displaystyle F_1(x-ct)+F_2(x+ct)}$,

dove ${\displaystyle F_1}$ e ${\displaystyle F_2}$ sono funzioni arbitrarie, è soluzione della nostra equazione delle onde. Ma ${\displaystyle F_1(x-ct)}$ altro non è che una ${\displaystyle F_1}$ che si sposta nel tempo ad una velocità costante c.

Come si risolve

• Il vantaggio di un'equazione lineare è che una soluzione difficile si può scrivere come somma di soluzioni più semplici (si veda la più importante applicazione di questo principio nella pagina sul teorema di Fourier)
• L'equazione da sola non basta per ottenere la soluzione. Bisogna infatti determinare delle condizioni iniziali, che fissino la forma della corda all'istante ${\displaystyle t=0}$, e, nel caso la corda non sia infinita, delle condizioni al contorno, che indichino cosa accade al bordo (si veda, ad esempio riflessione nelle corde).
• Esistono due vie maestre per determinare le soluzioni, che utilizzano punti di vista equivalenti, ma assai differenti, e che sono esaminati in sezioni a parte:
  1. La soluzione generale è una sovrapposizione dei modi normali.
  2. La soluzione generale è una sovrapposizione di onde viaggianti
• Qualunque sia il punto di vista che scegliamo di adottare, esistono anche diversi modi per risolvere materialmente l'equazione:
  1. metodi analitici (i casi più semplici sono affrontati in frequenze proprie della corda, onde stazionarie in 1D, modi normali di una corda)
  2. metodi numerici: un esempio (anche se in due dimensioni) è costituito dalla nostra app app Onde 2D.
• La fisica, infine, si basa essenzialmente sul metodo di indagine sperimentale, che, in questo caso, può essere condotta analizzando le risonanze del sistema mediante un'analisi dei modi normali, oppure studiando la sua evoluzione nel dominio del tempo.

Corde "meno ideali"

Nelle corde reali l'equazione delle onde non ha più in generale la forma descritta sopra. Vediamo come essa cambia se rinunciamo, una alla volta, alle ipotesi che abbiamo assunto per il caso ideale.

Eliminiamo l'ipotesi n. 1

T è costante durante il moto della corda (cioè qualunque sia la sua deformazione)

Nelle corde reali accade che la tensione T dipenda dalla forma della corda stessa, o, almeno dallo spostamento massimo ${\displaystyle y_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}$ della corda dalla posizione di equilibrio. L'ipotesi n.1 è quasi sempre valida finché lo spostamento massimo della corda non è molto grande.

In termini matematici eliminare questa ipotesi ideale consiste nel rendere T funzione di ${\displaystyle y_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}$ (più in generale funzionale di y(x))

${\displaystyle \frac{T(y_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}})}{\mu }\frac{{\partial }^{2}y}{\partial x^2}=\frac{{\partial }^{2}y}{\partial t^2}}$.

Di conseguenza, facendo a meno dell'ipotesi ideale n. 1, la velocità delle onde nella corda non è più una costante, ma dipende dalla forma della corda stessa, o, almeno, dall'entità della sua deformazione.

${\displaystyle c(y_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}})=\sqrt{\frac{T(y_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}})}{\mu }}}$.

Questo implica che per grandi spostamenti le onde viaggiano a velocità diversa che per piccoli spostamenti.

• Se ne ricavano importanti conseguenze, ad esempio, per gli strumenti musicali: uno spostamento più grande, in uno strumento a corda, corrisponde ad un suono più forte. Poiché la corda deformata è più lunga di quella a riposo, la sua tensione aumenta con lo spostamento: suonando una corda più forte si ottiene quindi anche un lieve aumento della frequenza della nota emessa. Ciò richiede correzioni di intonazione quando si suona uno strumento a corde piano o forte. Oppure la lieve scordatura può essere utilizzata come un effetto.

Eliminiamo l'ipotesi n.2

Parte prima: T ha la stessa intensità lungo tutta la corda...

Questa ipotesi è in realtà piuttosto ben giustificata se la corda è omogenea. Il caso di corde non omogenee non è di particolare interesse per gli strumenti musicali, o per le oscillazioni, mentre trova importanti applicazioni nella trasmissione di segnali nelle linee elettriche, e nella trasduzione, (vedi per esempio impedenza, riflessione nelle corde, rifrazione in una dimensione).

Parte seconda:...in ogni punto, agisce solo nella direzione tangente la corda (cioè senza componenti perpendicolari alla corda).

Considerare componenti trasversali della tensione nella corda significa pensare alla corda non più come un sistema unidimensionale, ma come un vero e proprio sistema tridimensionale. Si pensi, per esempio, anziché ad una corda di violino, ad un grosso cavo d'acciaio per un ponte sospeso. Allora non potremo trascurarne, ad esempio, il moto di torsione, che può sottrarre energia ai modi di vibrazione trasversali, modificandoli. Si veda la sezione sulle onde nelle barre.

Anche in una corda musicale c'è un effetto di questo tipo: una corda reale ha una certa rigidità alla flessione, come una barra sottile: quando si incurva le sue sezioni si scambiano forze perpendicolari alla corda. All'equazione si aggiunge allora un termine con la derivata quarta, come per le onde flessurali nella barra:

${\displaystyle T\frac{{\partial }^{2}y}{\partial x^2}-YJ\frac{{\partial }^{4}y}{\partial x^4}=\mu \frac{{\partial }^{2}y}{\partial t^2}}$,

dove Y è il modulo di Young del materiale e J il momento d'inerzia della sezione. Per un'onda armonica di numero d'onda q la velocità diventa

${\displaystyle c=\sqrt{\frac{T+YJ{q}^2}{\mu }}}$:

è come se la tensione efficace crescesse con la frequenza. In questo caso velocità di fase e velocità di gruppo per le onde nella corda differiscono: onde di alta frequenza si propagano più velocemente di quelle di bassa frequenza. Di conseguenza le frequenze proprie più alte della corda sono leggermente più acute dei multipli interi della fondamentale: è l'inarmonicità delle corde, particolarmente evidente nelle corde grosse e corte dei registri gravi del pianoforte.

Eliminiamo l'ipotesi n. 3

tutte le altre forze esterne (come la forza di gravità) sono trascurate rispetto a T.

Se includiamo nell'equazione altre forze, allora il comportamento della corda dipende dalla natura di queste forze.

In particolare è immediato introdurre forze di attrito che tendano a smorzare le oscillazioni, ed anche forze esterne che mantengano in vibrazione la corda contrastando l'attrito. Questi termini possono essere inclusi facilmente nell'equazione delle onde mantenendone il carattere lineare (p. es. sappiamo che il termine d'attrito conduce all'equazione telegrafica: v. equazione delle onde).

• Altre modificazioni possibili dell'equazione consistono nel renderla non lineare. Per ottenere un'equazione non lineare, è sufficiente, ad esempio, non sostituire la combinazione di seni con le corrispondenti derivate prime.

Per le onde descritte da un'equazione non lineare, non vale più il principio di sovrapposizione: due onde che si "scontrano" lungo questa corda si possono influenzare a vicenda!

In questo regime si osserva una interessante varietà di fenomeni, alcuni dei quali, anche se non specifici delle corde, sono esaminati nelle pagine Effetti non lineari, Catena di Fermi-Pasta-Ulam, Distorsione di intermodulazione e Instabilità modulazionale

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