Cos'è la rifrazione di un'onda

• La rifrazione è il cambiamento di direzione che un'onda subisce a causa del cambiamento della sua velocità di propagazione.
• In un mezzo omogeneo ideale le onde si propagano in linea retta. Ad esempio la luce nel vuoto, o il suono in un solido omogeneo all'equilibrio. La rifrazione è una deviazione dalla propagazione rettilinea, e può essere causata dal fatto che le proprietà del mezzo cambiano da un luogo all'altro.
• Una situazione in cui è particolarmente facile visualizzare il fenomeno è quella in cui le proprietà del mezzo cambiano all'improvviso in modo netto. Questo accade tipicamente alla superficie che separa due mezzi diversi.

Rifrazione alla separazione tra due mezzi

Quando un'onda incide sulla superficie di separazione (interfaccia) tra due mezzi differenti essa viene in parte riflessa e in parte trasmessa al secondo mezzo. Nel passaggio dal primo al secondo mezzo la direzione di propagazione dell'onda può subire una variazione. Questo fenomeno, noto col nome di rifrazione, è una caratteristica generale della propagazione ondosa, cioè si manifesta per tutti i tipi di onde.

Ragionando in termini di raggi la situazione è ben illustrata dall'immagine a fianco dove il raggio incidente proveniente dal mezzo 1 viene in parte riflesso (osserva che l'angolo di riflessione è uguale all'angolo di incidenza) e in parte rifratto. θi = angolo di incidenza θr = angolo di rifrazione Osserviamo tuttavia che è possibile ragionare in termini di raggi solo entro opportune condizioni, e, in particolare, quando le dimensioni della superficie di separazione e il suo raggio di curvatura sono molto maggiori della lunghezza delle onde che vi incidono. Questa condizione è facilmente verificata quando la luce visibile incide su oggetti macroscopici, mentre non lo è nel caso delle onde sonore udibili. In quest'ultimo caso, non si può ricorrere alla semplificazione geometrica dei raggi, ma bisogna risolvere completamente l'equazione delle onde sonore, che tiene conto anche dei fenomeni di diffrazione.

In che verso devia l'onda?

Si pensi a un fronte d'onda che arriva obliquamente sulla superficie di separazione. La parte del fronte che raggiunge per prima la superficie entra nel secondo mezzo e cambia velocità prima delle altre, come una fila di persone che marciano affiancate e passano obliquamente dall'asfalto a un prato fangoso: chi entra per primo nel fango rallenta per primo e la fila "gira". Di conseguenza:

• se nel secondo mezzo l'onda è più lenta (per esempio la luce che passa dall'aria all'acqua o al vetro) il raggio rifratto si avvicina alla normale, cioè alla perpendicolare alla superficie;
• se nel secondo mezzo l'onda è più veloce (per esempio il suono che passa dall'aria all'acqua) il raggio rifratto si allontana dalla normale.

Quantitativamente il rapporto tra i seni degli angoli è uguale al rapporto tra le velocità: ${\displaystyle \sin {\theta }_i/\sin {\theta }_r=v_1/v_2}$ (legge di Snell, si veda indice di rifrazione). Nel passaggio la frequenza dell'onda non cambia, mentre la lunghezza d'onda cambia in proporzione alla velocità. Se l'onda passa in un mezzo in cui è più veloce e incide molto obliquamente, oltre un certo angolo (l'angolo limite) non riesce più a uscire e viene riflessa completamente: è la riflessione totale, su cui si basano le fibre ottiche.

Importanza della rifrazione

Il fenomeno della rifrazione è importante poiché

1. è alla base della spiegazione di un gran numero di fenomeni naturali. Tramite la rifrazione è possibile spiegare:
   • la formazione degli arcobaleni;
   • la formazione dei miraggi e di altri strani fenomeni ottici (fata Morgana,...);
   • lo spostamento della posizione apparente di un oggetto (si pensi ad una moneta sul fondo della piscina, o ad un bastone, parzialmente immerso in un liquido trasparente, che appare "spezzato")
   • la capacità che hanno certi materiali di trasportare e confinare la luce, come se fossero canali (fibre ottiche, guide d'onda...);
   • la capacità che hanno certi materiali, sagomati in modo opportuno, di curvare la luce (lenti)
2. indagando la variazione di direzione subita dal raggio rifratto (governata da una legge che lega gli angoli di incidenza e rifrazione detta legge di Snell) è possibile:
   • ricavare proprietà fisiche del mezzo in cui avviene la rifrazione. Tali proprietà sono riassunte da un numero detto indice di rifrazione;
   • ricavare informazioni sulla natura dell'onda che viene rifratta. A volte l'indice di rifrazione dipende dalla lunghezza d'onda dell'onda incidente (si dice in questi casi che il mezzo è dispersivo). Se un'onda incidente non è "monocromatica" (cioè è costituita dalla sovrapposizione di onde "componenti" di diversa lunghezza d'onda) entra in un mezzo dispersivo, le singole componenti verranno deviate secondo angoli diversi. E' notissima l'esperienza in cui Newton dimostrò, facendo passare luce solare attraverso un prisma di vetro, che la luce solare è composta da luce di diversa lunghezza d'onda (cioè di diversi colori);
   • calcolare l'efficienza con cui un'onda che subisce rifrazione, trasferisce energia da un mezzo ad un altro. Tale problema, affrontato nella sezione sull'adattamento di impedenza, è fondamentale per la comprensione del principio di funzionamento delle antenne e degli strumenti musicali.
3. storicamente la spiegazione della rifrazione ha costituito un serio "banco di prova" per le teorie corpuscolari ed ondulatorie della luce. Addirittura, se i mezzi sperimentali di fine '600 lo avessero consentito, la rifrazione avrebbe fornito un experimentum crucis per dirimere la questione tra teoria corpuscolare e teoria ondulatoria ben prima dell'esperimento di Young. A tal proposito visita la sezione indice di rifrazione

Verifica la comprensione

Laboratorio virtuale: esperimenti sulla rifrazione

Se sei interessato a visualizzare fenomeni di rifrazione clicca su laboratorio virtuale Onde 2D. Nelle pagine elencate di seguito trovi una serie di esperienze guidate, ma puoi benissimo sperimentare nuove configurazioni e nuovi esperimenti. L'app è molto intuitiva; per una corretta comprensione di quello che osservi, tieni presente che le zone colorate rappresentano l'ampiezza dell'oscillazione. Tanto più brillante appare il colore, maggiore è l'ampiezza delle oscillazioni (verde per le cime, rosso per le valli). Ricorda inoltre che ciò che abbiamo chiamato raggio d'onda è sempre perpendicolare ai fronti d'onda visualizzati nell'animazione.

Percorsi guidati al laboratorio virtuale

• esperimenti sulla rifrazione
• esperimenti sulla riflessione totale
• esperimenti sulla riflessione totale da un prisma circolare
• esperimenti sui miraggi ed altri strani fenomeni

Approfondimenti e collegamenti

• Se vuoi vedere la rifrazione all'opera, visita la sezione rifrazione in una dimensione
• Per vedere come il fenomeno della rifrazione spieghi molti dei fenomeni descritti visita la sezione relativa all'indice di rifrazione
• Essendo un fenomeno di natura ondulatoria la rifrazione interessa anche le onde sonore. Nella pagina dedicata troverai esempi di miraggi sonori.
• Il fenomeno della dispersione ha conseguenze profonde in molti ambiti della teoria delle onde. Visita la sezione ad esso dedicata!!
• L'arcobaleno è uno spettacolare fenomeno naturale dovuto ai fenomeni congiunti della rifrazione e dispersione. Nella sezione onde e arcobaleni scopri come si formano gli arcobaleni, e quali sono le loro caratteristiche.
• Se sei interessato ad approfondire l'argomento fibre ottiche visita la sezione guide d'onda.
• Domande e risposte correlate:
  • Frequenza e lunghezza d'onda sono legate: perché allora, passando dall'aria all'acqua, cambia la lunghezza d'onda ma non la frequenza?