ONDE MECCANICHE

Un'onda meccanica è la propagazione di una perturbazione in un mezzo (gassoso, liquido o solido).

Per formare un'onda meccanica servono

  • una sorgente della perturbazione

  • un mezzo che subisca la perturbazione

  • una connessione tra la materia perturbata e quella adiacente che propaghi la perturbazione

Al passaggio di un'onda meccanica la materia subisce una deformazione elastica: le particelle che costituiscono il mezzo materiale si spostano rispetto alla loro posizione di riposo e vi ritornano quando l'ampiezza dell'onda diventa nulla.

Durante la propagazione di un'onda, lo spostamento, la velocità e l'energia meccanica (cinetica e potenziale elastica) di un elemento di massa o volume vengono trasmessi a quello adiacente. In questo modo le onde trasportano energia meccanica attraverso la materia.

Nelle onde longitudinali le particelle investite dall'onda subiscono spostamenti paralleli alla direzione di propagazione dell'onda. 

Nelle onde trasversali le particelle investite dall'onda subiscono spostamenti ortogonali alla direzione di propagazione dell'onda.

Esistono anche onde nelle quali le particelle del mezzo subiscono spostamenti sia longitudinali che trasversali (come ad es. le onde marine).

Le onde possono propagarsi lungo una sola direzione (es. onda su una corda tesa), nel piano (es. onde provocate da un sasso lasciato cadere in uno stagno) o in tutto lo spazio (es. onde sonore generate da sorgenti puntiformi).

Quando le onde incontrano ostacoli o attraversano mezzi diversi subiscono riflessione e trasmissione.

Le onde possono essere descritte quantitativamente attraverso una funzione dello spazio e del tempo che assume la sua forma più semplice nel caso in cui la propagazione avviene in una sola direzione (onde uni-dimensionali). La generalizzazione della funzione d'onda al caso di onda tridimensionale è comunque immediata (onde sferiche).

Nelle onde sinusoidali l'ampiezza dell'onda varia in modo sinusoidale nel tempo e nello spazio. Questo tipo di onde riveste un'importanza particolare perché ogni altra forma d'onda periodica può essere ottenuta come sovrapposizione di onde sinusoidali (serie di Fourier).

Una caratteristica delle onde meccaniche è la loro velocità di fase, ossia la velocità alla quale si sposta un punto dell'onda di ampiezza fissata (ad esempio la cresta dell'onda). La velocità di fase dipende dal  mezzo in cui si propaga l'onda. La velocità di un' onda sonora in aria a 20°C è circa 340 m/s, mentre la stessa onda si propaga in acqua alla velocità di 1480 m/s. La velocità di propagazione di un'onda su una corda è direttamente proporzionale alla radice della tensione e inversamente proporzionale alla densità lineare di massa della corda. In generale, la potenza trasportata da un'onda è proporzionale alla velocità dell'onda e al quadrato della sua ampiezza massima. 

Se più onde si propagano in un mezzo le ampiezze delle onde si sommano  (principio di sovrapposizione). La sovrapposizione di due onde di uguale frequenza può dar luogo ad interferenza costruttiva o distruttiva.

Quando due onde sinusoidali di uguale frequenza si propagano l'una verso l'altra sovrapponendosi si formano onde stazionarie. L'ampiezza delle onde stazionarie varia periodicamente nello spazio e in alcuni punti detti nodi è sempre nulla. Perciò le onde stazionarie non trasportano potenza. 

In una corda fissata agli estremi o in un tubo pieno d'aria possono formarsi soltanto onde stazionarie con frequenze che sono tutte multiple di una frequenza caratteristica detta fondamentale. Gli strumenti musicali sono dispositivi predisposti per formare onde stazionarie di particolare frequenza (note) in corde vibranti e tubi pieni d'aria.

Quando si sovrappongono onde di frequenza diversa, in ogni punto dello spazio si producono battimenti ossia variazioni periodiche dell'ampiezza massima dell'onda.

Nella propagazione di onde sonore sinusoidali, la frequenza percepita da un rivelatore-ascoltatore dipende dalla velocità della sorgente e dell'ascoltatore. La frequenza percepita è minore se sorgente e ascoltatore si avvicinano, maggiore se si allontanano. Questo fenomeno è noto con il nome di effetto Doppler e si manifesta anche nel caso di onde elettromagnetiche (luce, onde radar, ecc).