1. Le onde

1 Le onde La parola “onda” ti fa immediatamente pensare alle onde del mare, o a quelle sismiche di un terremoto, o alle onde sonore della sveglia. Forse hai anche pensato alle microonde del cellulare o alle onde radio della televisione e della radio. In effetti tutte queste sono onde, anche se sono di tipo diverso: le onde radio, le microonde, ma anche le onde luminose, sono onde elettromagnetiche e si propagano anche in assenza di materia, nel vuoto; le onde del mare, le sismiche e le sonore si propagano nella materia e sono dette onde meccaniche. Che cosa sono in generale le onde?Per capire che cos’è un’onda puoi osservare quelle che si formano se lasci cadere un sasso nell’acqua ( 1 ):- il sasso spinge verso il basso il livello dell’acqua nel punto in cui è caduto;- tutto intorno la superficie dell’acqua si alza e forma una cresta circolare;- attorno a questo “cerchio”, la superficie dell’acqua si abbassa e forma un avvallamento circolare;- ancora più esternamente si alza… e così via, producendo tutta una serie di avvallamenti e creste.Puoi provare a rifare questa esperienza lasciando cadere il sasso in una bacinella piena d’acqua e posizionando una pallina da ping-pong vicino al punto di origine delle onde. Osservare i movimenti della pallina è come osservare i movimenti delle molecole d’acqua sottostanti ( 2 ).La pallina, raggiunta dalle onde, oscilla in su e in giù, ma non si sposta orizzontalmente. Ciò accade perché le molecole d’acqua, colpite dal sasso, oscillano verticalmente e trasferiscono l’energia meccanica alle molecole vicine che a loro volta cominciano a oscillare. Non è quindi l’acqua che si sposta in modo orizzontale ma l’energia che si propaga dal punto in cui cade il sasso, sorgente, alle molecole d’acqua man mano più lontane. Le oscillazioni diventano sempre più piccole sinché si esauriscono perché tutta l’energia è stata trasferita.Ciò che accade per le onde nell’acqua, vale per tutte le altre onde meccaniche: le onde sono infatti delle perturbazioni provocate da una sorgente in movimento che fanno oscillare le molecole del mezzo in cui si propagano (acqua, aria, terreno…), senza però spostarle. Nel caso delle onde del mare ( 3 ) la sorgente è il vento che esercita sull’acqua una forza che aumenta con l’intensità con cui il vento soffia. HAI CAPITO CHE... Le onde meccaniche sono perturbazioni provocate da una sorgente in movimento che fanno oscillare le molecole del mezzo in cui si propagano, senza spostarle. Analizza Come puoi descrivere le onde causate da un sasso lanciato nell’acqua? Ci sono onde di tipo diverso rispetto a quelle che si formano nell’acqua?Le onde che si propagano nell’acqua si possono riprodurre in un modello, facendo oscillare ripetutamente l’estremità libera di una corda attaccata a un sostegno ( 4 ).Questo tipo di onda è detto trasversale, perché l’oscillazione delle molecole del mezzo in cui si propaga l’onda avviene perpendicolarmente alla direzione di propagazione. Oltre alle onde nell’acqua, sono onde trasversali anche anche le onde elettromagnetiche. Onde di tipo diverso si possono ottenere comprimendo ripetutamente l’estremità libera di una molla attaccata a un sostegno ( 5 ). Nel modello puoi notare zone della molla in cui le spire sono compresse e zone in cui sono invece più lontane tra loro.Questa onda è detta longitudinale perché l’oscillazione delle molecole del mezzo avviene nella stessa direzione di propagazione dell’onda. Oltre alle onde di una molla che si allunga e si comprime, appartengono a questo gruppo le onde prodotte da una lastra di ferro percossa con un martello e le onde sonore. Analizza Qual è la direzione dell’oscillazione della corda?Che cosa puoi dire della compressione delle spire della molla? È uniforme? HAI CAPITO CHE... Onde trasversali: dell'onda l’oscillazione delle molecole è perpendicolare alla direzione di propagazione. Onde longitudinali: l’oscillazione è nella stessa direzione di propagazione. Quali sono le caratteristiche delle onde?Le onde presentano alcune caratteristiche distinte e misurabili.Osserva il disegno che rappresenta un’onda ( 6 ):- i punti più alti dell’onda (M e N) sono detti creste o dorsi, mentre quelli più bassi (R e S) sono detti ventri o cavi;- i segmenti MN e RS rappresentano la lunghezza d’onda, indicata con λ (lambda), che è la distanza tra due creste o due ventri successivi. L’unità di misura della lunghezza d’onda è il metro;- i segmenti MP e QR rappresentano l’ampiezza dell’onda, che è la distanza tra la cresta o un ventre e l’asse orizzontale. La sua unità di misura è il metro;- il numero di oscillazioni compiuto in 1 secondo è la frequenza. L’unità di misura della frequenza è l’Hertz (Hz), dal nome del fisico tedesco Heinrich Hertz (1857-1894), che scoprì alcune delle più importanti leggi sulle onde; 1 Hz corrisponde a 1 oscillazione al secondo;- la durata di una oscillazione completa si chiama periodo e si misura in secondi.1885Il fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) dimostrò per primo sperimentalmente l’esistenza delle onde elettromagnetiche. HAI CAPITO CHE... Gli elementi misurabili di un’onda sono la lunghezza, l’ampiezza, la frequenza, il periodo.>> VERSO LE COMPETENZERagiona sui graficiOsserva i grafici che rappresentano tre onde diverse e rispondi.a. Quali onde hanno la stessa ampiezza?b. Quali la stessa lunghezza d’onda?c. Quale tra le tre onde ha lunghezza d’onda maggiore?d. Quale ha frequenza minore?Fai un’ipotesiCome faresti a misurare la frequenza delle onde del mare?per saperne di piùRelazione tra lunghezza d’onda e frequenzaNel disegno sono rappresentate due onde che si propagano nello stesso periodo di tempo. Come puoi osservare, la prima ha lunghezza d’onda λ1 e la seconda ha lunghezza d’onda λ2; λ1 è la metà di λ2. La frequenza f1 della prima onda è il doppio della frequenza f2 della seconda. Lunghezza d’onda (λ) e frequenza (f) sono dunque grandezze inversamente proporzionali: se λ raddoppia, f diventa la metà, se λ triplica, f diventa la terza parte, e così via.per saperne di piùLe onde trasportano la materia?Sicuramente hai già visto nelle spiagge abbandonate accumuli di rifiuti portati dal mare. Per molte persone il mare è considerato come una pattumiera nella quale buttare qualsiasi oggetto non desiderato e spesso neppure biodegradabile. Tali oggetti inquinano le acque, danneggiano gli animali marini e inevitabilmente, se galleggiano, tornano in superficie e, a lungo andare, arrivano sulla costa. Questo fatto sembrerebbe contraddire la definizione di “onda” data dalla fisica, secondo la quale le onde non trasportano materia ma solo energia. In effetti il trasporto dei rifiuti sino alle spiagge non è opera delle onde ma di altre forze, come quelle del vento che sposta i corpi che galleggiano o delle correnti marine che trascinano con sé i corpi sospesi in profondità. Vicino alla costa poi l’acqua si scontra con il fondale e si creano dei turbini circolari in cui l’acqua è davvero in movimento e può scagliare i corpi sulle spiagge.
1 Le onde La parola “onda” ti fa immediatamente pensare alle onde del mare, o a quelle sismiche di un terremoto, o alle onde sonore della sveglia. Forse hai anche pensato alle microonde del cellulare o alle onde radio della televisione e della radio. In effetti tutte queste sono onde, anche se sono di tipo diverso: le onde radio, le microonde, ma anche le onde luminose, sono onde elettromagnetiche e si propagano anche in assenza di materia, nel vuoto; le onde del mare, le sismiche e le sonore si propagano nella materia e sono dette onde meccaniche. Che cosa sono in generale le onde?Per capire che cos’è un’onda puoi osservare quelle che si formano se lasci cadere un sasso nell’acqua ( 1 ):- il sasso spinge verso il basso il livello dell’acqua nel punto in cui è caduto;- tutto intorno la superficie dell’acqua si alza e forma una cresta circolare;- attorno a questo “cerchio”, la superficie dell’acqua si abbassa e forma un avvallamento circolare;- ancora più esternamente si alza… e così via, producendo tutta una serie di avvallamenti e creste.Puoi provare a rifare questa esperienza lasciando cadere il sasso in una bacinella piena d’acqua e posizionando una pallina da ping-pong vicino al punto di origine delle onde. Osservare i movimenti della pallina è come osservare i movimenti delle molecole d’acqua sottostanti ( 2 ).La pallina, raggiunta dalle onde, oscilla in su e in giù, ma non si sposta orizzontalmente. Ciò accade perché le molecole d’acqua, colpite dal sasso, oscillano verticalmente e trasferiscono l’energia meccanica alle molecole vicine che a loro volta cominciano a oscillare. Non è quindi l’acqua che si sposta in modo orizzontale ma l’energia che si propaga dal punto in cui cade il sasso, sorgente, alle molecole d’acqua man mano più lontane. Le oscillazioni diventano sempre più piccole sinché si esauriscono perché tutta l’energia è stata trasferita.Ciò che accade per le onde nell’acqua, vale per tutte le altre onde meccaniche: le onde sono infatti delle perturbazioni provocate da una sorgente in movimento che fanno oscillare le molecole del mezzo in cui si propagano (acqua, aria, terreno…), senza però spostarle. Nel caso delle onde del mare ( 3 ) la sorgente è il vento che esercita sull’acqua una forza che aumenta con l’intensità con cui il vento soffia. HAI CAPITO CHE... Le onde meccaniche sono perturbazioni provocate da una sorgente in movimento che fanno oscillare le molecole del mezzo in cui si propagano, senza spostarle. Analizza Come puoi descrivere le onde causate da un sasso lanciato nell’acqua? Ci sono onde di tipo diverso rispetto a quelle che si formano nell’acqua?Le onde che si propagano nell’acqua si possono riprodurre in un modello, facendo oscillare ripetutamente l’estremità libera di una corda attaccata a un sostegno ( 4 ).Questo tipo di onda è detto trasversale, perché l’oscillazione delle molecole del mezzo in cui si propaga l’onda avviene perpendicolarmente alla direzione di propagazione. Oltre alle onde nell’acqua, sono onde trasversali anche anche le onde elettromagnetiche. Onde di tipo diverso si possono ottenere comprimendo ripetutamente l’estremità libera di una molla attaccata a un sostegno ( 5 ). Nel modello puoi notare zone della molla in cui le spire sono compresse e zone in cui sono invece più lontane tra loro.Questa onda è detta longitudinale perché l’oscillazione delle molecole del mezzo avviene nella stessa direzione di propagazione dell’onda. Oltre alle onde di una molla che si allunga e si comprime, appartengono a questo gruppo le onde prodotte da una lastra di ferro percossa con un martello e le onde sonore. Analizza Qual è la direzione dell’oscillazione della corda?Che cosa puoi dire della compressione delle spire della molla? È uniforme? HAI CAPITO CHE... Onde trasversali: dell'onda l’oscillazione delle molecole è perpendicolare alla direzione di propagazione. Onde longitudinali: l’oscillazione è nella stessa direzione di propagazione. Quali sono le caratteristiche delle onde?Le onde presentano alcune caratteristiche distinte e misurabili.Osserva il disegno che rappresenta un’onda ( 6 ):- i punti più alti dell’onda (M e N) sono detti creste o dorsi, mentre quelli più bassi (R e S) sono detti ventri o cavi;- i segmenti MN e RS rappresentano la lunghezza d’onda, indicata con λ (lambda), che è la distanza tra due creste o due ventri successivi. L’unità di misura della lunghezza d’onda è il metro;- i segmenti MP e QR rappresentano l’ampiezza dell’onda, che è la distanza tra la cresta o un ventre e l’asse orizzontale. La sua unità di misura è il metro;- il numero di oscillazioni compiuto in 1 secondo è la frequenza. L’unità di misura della frequenza è l’Hertz (Hz), dal nome del fisico tedesco Heinrich Hertz (1857-1894), che scoprì alcune delle più importanti leggi sulle onde; 1 Hz corrisponde a 1 oscillazione al secondo;- la durata di una oscillazione completa si chiama periodo e si misura in secondi.1885Il fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) dimostrò per primo sperimentalmente l’esistenza delle onde elettromagnetiche. HAI CAPITO CHE... Gli elementi misurabili di un’onda sono la lunghezza, l’ampiezza, la frequenza, il periodo.>> VERSO LE COMPETENZERagiona sui graficiOsserva i grafici che rappresentano tre onde diverse e rispondi.a. Quali onde hanno la stessa ampiezza?b. Quali la stessa lunghezza d’onda?c. Quale tra le tre onde ha lunghezza d’onda maggiore?d. Quale ha frequenza minore?Fai un’ipotesiCome faresti a misurare la frequenza delle onde del mare?per saperne di piùRelazione tra lunghezza d’onda e frequenzaNel disegno sono rappresentate due onde che si propagano nello stesso periodo di tempo. Come puoi osservare, la prima ha lunghezza d’onda λ1 e la seconda ha lunghezza d’onda λ2; λ1 è la metà di λ2. La frequenza f1 della prima onda è il doppio della frequenza f2 della seconda. Lunghezza d’onda (λ) e frequenza (f) sono dunque grandezze inversamente proporzionali: se λ raddoppia, f diventa la metà, se λ triplica, f diventa la terza parte, e così via.per saperne di piùLe onde trasportano la materia?Sicuramente hai già visto nelle spiagge abbandonate accumuli di rifiuti portati dal mare. Per molte persone il mare è considerato come una pattumiera nella quale buttare qualsiasi oggetto non desiderato e spesso neppure biodegradabile. Tali oggetti inquinano le acque, danneggiano gli animali marini e inevitabilmente, se galleggiano, tornano in superficie e, a lungo andare, arrivano sulla costa. Questo fatto sembrerebbe contraddire la definizione di “onda” data dalla fisica, secondo la quale le onde non trasportano materia ma solo energia. In effetti il trasporto dei rifiuti sino alle spiagge non è opera delle onde ma di altre forze, come quelle del vento che sposta i corpi che galleggiano o delle correnti marine che trascinano con sé i corpi sospesi in profondità. Vicino alla costa poi l’acqua si scontra con il fondale e si creano dei turbini circolari in cui l’acqua è davvero in movimento e può scagliare i corpi sulle spiagge.