Onda

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Introduzione

Onda In fisica, qualunque perturbazione che si propaghi nello spazio trasportando energia, ma non materia. Esistono diversi tipi di onde, di natura e caratteristiche differenti, responsabili della propagazione di diverse grandezze e fenomeni.

Esempi di onde sono il suono, le onde del mare e le oscillazioni di una corda o di un elastico. In ognuno di questi casi, mentre l'energia trasportata dall’onda si sposta nella direzione di propagazione dell’onda, produce l’oscillazione delle particelle del mezzo investito, nella medesima direzione, o in direzione trasversale. Onde di questo tipo, che si propagano attraverso un mezzo materiale producendone l’oscillazione, sono dette meccaniche, appunto perché necessitano di un supporto meccanico (il mezzo materiale) per trasmettere energia. Le onde elettromagnetiche, invece, non hanno bisogno di un supporto: sono infatti variazioni periodiche dell'intensità del campo magnetico ed elettrico, che possono avere luogo in mezzi materiali, come pure nel vuoto.

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Un’onda non comporta trasporto di materia

Un’onda, quindi, è una perturbazione che si propaga nello spazio, senza portare con sé la materia che investe. Per rendersi conto di questa proprietà, si può osservare il comportamento di un tappo di sughero o di qualunque altro oggetto galleggiante, all’arrivo di un’onda sulla superficie di un corpo d’acqua: il tappo, investito dall’onda, si sposta verso l’alto insieme all’acqua che lo sostiene e torna nella sua posizione iniziale una volta passata l’onda: non viene quindi portato via, ma solo perturbato momentaneamente.

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Tipi di onde

La più semplice e significativa tra tutti i tipi di onde è l’onda armonica semplice, che rappresenta il modello per lo studio di molti fenomeni periodici naturali. Si può definire come la perturbazione prodotta in un mezzo da una forza elastica. In un’onda armonica, la grandezza vibrante cambia intensità periodicamente, con legge sinusoidale, oscillando con regolarità tra un valore minimo e un valore massimo. A seconda che la direzione di oscillazione della grandezza vibrante sia parallela o perpendicolare alla direzione di propagazione, l’onda si dice longitudinale o trasversale. Un'onda longitudinale può essere solo di natura meccanica: consiste infatti in una serie di successive compressioni (stati di densità e pressione massime) e rarefazioni (stati di densità e pressione minime) del mezzo; le onde sonore ne sono un esempio tipico.

Esempi di onde trasversali sono invece quelle che si propagano lungo una corda tesa o le onde elettromagnetiche, come le onde luminose, i raggi X e le onde radio. Le onde che variano periodicamente nel tempo e hanno caratteristiche di regolarità tali da poter essere descritte da una funzione sinusoidale prendono il nome di onde armoniche; ad esempio, le oscillazioni impresse con regolarità all’estremità di una corda si propagano per tutta la sua lunghezza sotto forma di onde armoniche. Per questo tipo di onde, la descrizione matematica è relativamente semplice.

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Descrizione analitica e definizioni

La funzione analitica che descrive un’onda armonica è una funzione sinusoidale dipendente dallo spazio e dal tempo. In un istante t e nella posizione x dall’origine della perturbazione, un’onda trasversale armonica produce una perturbazione y = A cos 2p (t/T – x/λ). In questa equazione, λ rappresenta la lunghezza d’onda, vale a dire la distanza tra due creste successive per le onde trasversali, o la distanza tra due compressioni (o rarefazioni) successive per le onde longitudinali. T rappresenta il periodo, vale a dire il tempo necessario perché un punto investito dall’onda compia un’oscillazione completa o, alternativamente, il tempo necessario perché l’onda si propaghi di una lunghezza pari a λ; A rappresenta l’ampiezza, ossia lo spostamento massimo di una vibrazione (per le onde elettromagnetiche, la massima intensità del campo elettrico o del campo magnetico).

Altre grandezze caratteristiche utilizzate per descrivere la propagazione di un’onda sono la frequenza, data dal numero di oscillazioni complete compiute nell'unità di tempo in un determinato punto dello spazio; la velocità di propagazione, pari al prodotto della lunghezza d'onda per la frequenza; e la fase, cioè l’angolo che compare nell’equazione dell’onda come argomento della funzione sinusoidale. Si dice che due onde vibrano in fase se nello stesso istante le relative funzioni sinusoidali hanno il medesimo argomento. L’insieme dei punti che vibrano in fase è detto fronte d’onda; a seconda della sua forma (piana, sferica, circolare) si parla di onde piane, onde sferiche, onde superficiali.

Le onde più complesse di quelle armoniche possono anch’esse essere rappresentate in forma analitica, ma da funzioni più complesse: come afferma il teorema di Fourier, infatti, qualunque funzione periodica può essere rappresentata come una somma di funzioni armoniche.