Onda (fisica)
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Un onda è una perturbazione che si propaga. Ad eccezione della radiazione elettromagnetica, e a livello teorico della radiazione gravitazionale, che possono propagarsi nel vuoto, le onde esistono in un mezzo (che per deformazione è in grado di produrre forze elastiche di ritorno) attraverso il quale possono viaggiare e trasferire energia da un punto all'altro, senza che alcuna particella del mezzo venga dislocata permanentemente. Ovvero, non esiste un trasporto di massa associato; invece, ogni particolare punto oscilla attorno a una posizione fissa.
| Indice |
Mezzi di propagazione
Il mezzo in cui le onde viaggiano puo' essere classificato a seconda delle seguenti proprieta'
- A Mezzo lineare se onde differenti possono essere sommate in un certo punto
- A Mezzo limitato se ha una estensione finita, altrimenti viene chiamato illimitato
- A Mezzo uniforme se le proprieta' fisiche del mezzo non cambiano nello spazio
- A Mezzo isotropo se le proprieta' fisiche sono 'analoghe' in ogni suo punto (altrimenti viene chiamato anisotropo)
Esempi di onde
- Onde oceaniche di superficie sono perturbazioni che si propagano nell'acqua (vedi anche surf e tsunami).
- Suono - una onda meccanica che si propaga attraverso gas (in genere aria), liquidi o solid, la cui frequenza puo' essere percepita dall'apparato uditivo. Dello stesso tipo sono le onde sismiche create dai terremoti che possono essere di tipo S, P o L.
- Luce, Onde radio, Raggi X ecc. formano l'insieme delle radiazioni elettromagnetiche. In questo caso la propagazione non ha bisogno di un mezzo, le onde posso propagarsi ne vuoto.
- Onde gravitazionali sono fluttazioni del Campo gravitazionale. La loro esistenza e' stata prevista dalla Relativita generale. Queste onde sono Non lineari.
Proprietá delle onde
Tutte le onde hanno un comportamento comune in situazioni standard. Tutte le onde possono:
- Riflessione quando una onda cambia direzione a causa di uno scontro con un materiale riflettente.
- Rifrazione il cambio di direzione di un'onda causata dal cambio del mezzo di propagazione (ad esempio di densita' diversa).
- Diffrazione la diffusione delle onde, per esempio quando passano per una fessura stretta
- Interferenza la somma vettoriale (possono annullarsi) di due onde che entrano in contatto
- Dispersione la divisione di un onda in sotto onde in dipendenza della loro frequenza.
Onde trasversali e longitudinali
Si definisce onda longitudinale un'onda la cui direzione di propagazione nel mezzo materiale e/o nello spazio vuoto coincide con la direzione di oscillazione. Si definisce onda trasversale un'onda la cui direzione di propagazione nel mezzo materiale e/o nello spazio vuoto è perpendicolare alla direzione di oscillazione.
Polarizzazione
Le onde trasversali possono essere polarizzate. le onde non polarizzate possono oscillare in ogni direzione in un piano perpendicolare alla direzione dello spostamento, mentre le onde polarizzate oscillato solo in una delle direzioni perpendicolari alla direzione.
Descrizione fisica delle onde
Le onde possono essere descritte usando un certo numero di variabili standard quali frequenza, lunghezza d'onda ampiezza e periodo.
L'ampiezza di un'onda e' la misura della grandezza della massima perturbazione del mezzo durante un ciclo, ed e' misurato in unita' dipendenti dal tipo di onda. Per esempio le onde in una corda hanno ampiezza misurata espressa come distanza (metri), le onde sonore come pressione (pascal) e le onde elettromagnetiche con l'ampiezza del campo elettrico (volt/metro). L'ampiezza puo' essere costante (in questo caso l'onda viene chiamata onda continua) oppure puo' variare nel tempo e/o nello spazio. Il modo in cui la variazione di ampiezza viene chiamata "en:envelope" dell'onda.
Il periodo (T) e' il tempo necessario affinche' un ciclo completo di oscillazione venga completato. La frequenza (F) e' il numero di periodi per unita' di tempo (per esempio un secondo) ed e' misurata in hertz. Queste grandezze correlate nel modo seguente:
.
Quando un'onda e' descritta in modo matematico viene spesso descritta grazie alla Frequenza angolare (ω, radianti/secondo); quest'ultima e correlata alla frequenza Fsecondo questa formula:
.
Onde in movimento
le onde che rimangono confinate in una posizione vengono chiamate onde stazionarie - ad esempio le vibrazioni di una corda di chitarra. Le onde che si muovo nello spazio vengono chiamate onde viaggianti, ed hanno una perturbazione che varia sia nel tempo t che nella distanza dall'origine z. Questa rapporto puo' essere espresso matematicamente come:
y = A(z,t)cos(ωt − kz + φ),
dove A(z,t) e' l'ampiezza dell'onda, k e' il numero d'onda e φ e' la fase. La velocita' v dell'onda e' data dalla formula:
,
dove λ e' la Lunghezza d'onda dell'onda stessa
L'equazione d'onda
Non tutte le onde sono sinusoidali (ovvero hanno la forma della funzione seno). Un esempio di onda non sinusoidale e' l'impulso che si muove lungo una corda poggiata per terra. Nel caso generale ogni funzione di x, y, z, e t che sia una soluzione non banale della funzione d'onda e' un'onda. La funzione d'onda e' una equazione differenziale che descrive una onda armonica che attraversa un certo mezzo. L'equazione ha forme diverse dipendenti da come l'onda e' trasmessa e in quale mezzo. Una equazione d'onda non lineare puo' provocare un trasporto di massa.
In una dimensione la formula d'onda ha la forma:
La soluzione generale, conosciuta grazie a d'Alembert e':
φ(x,t) = F(x − ct) + E(x + ct)
L'equazione di Schrödinger descrive il comportamento ondulatorio delle particelle nell meccanica quantistica. Le soluzioni di questa equazione sono delle funzioni d'onda che possono essere usate per descrivere la densita di probabilita di una particella.
Voci correlate
- Effetto Doppler
- Velocita di gruppo
- Velocita di fase
- Onda stazionaria
- Onda oceanica di superficie
Onda