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Le onde

Comportamento delle onde

Quando un'onda incontra un ostacolo sul suo cammino, oppure passa da un mezzo di propagazione a uno diverso, hanno luogo fenomeni che sono comuni alle onde elastiche e alle onde elettromagnetiche. Tali fenomeni sono la riflessione, la rifrazione, la diffrazione. Un altro fenomeno ondulatorio, che avviene quando due onde si incontrano, è l'interferenza. Infine, se la sorgente di un'onda si muove rispetto a un osservatore, quest'ultimo rileverà un'onda con caratteristiche differenti a seconda che il moto sia di avvicinamento o di allontanamento: questo fenomeno, detto effetto Doppler .

La riflessione

La riflessione avviene quando un'onda incontra un ostacolo che non può attraversare e viene rinviata indietro verso la sorgente. Questo accade, per esempio, quando un raggio luminoso incontra una superficie riflettente o un'onda del mare incontra una barriera.

Se consideriamo un'onda piana e la rappresentiamo mediante un diagramma a raggi, dove il raggio dell'onda rappresenta la direzione di propagazione dell'onda, si definisce angolo di incidenza dell'onda sull'ostacolo (che supponiamo anch'esso piano per semplicità) l'angolo formato tra il raggio dell'onda incidente e la retta perpendicolare alla superficie incidente e angolo di riflessione l'angolo che l'onda riflessa forma con la perpendicolare alla barriera.

Secondo la legge della riflessione, l'angolo di incidenza (i) è uguale all'angolo di riflessione (r) e questi due angoli giacciono sullo stesso piano.

Quando un'onda viene riflessa, essa viene inoltre capovolta. Se la riflessione è totale, ovvero non vi è assorbimento dell'onda, l'onda riflessa trasporta la medesima quantità di energia dell'onda incidente.

La rifrazione

La rifrazione avviene quando un'onda passa da un mezzo materiale a un altro, con densità diversa, per cui la sua velocità e la sua direzione di propagazione subiscono delle variazioni.

In un'onda superficiale prodotta sull'acqua, il fenomeno della rifrazione avviene anche quando l'onda passa attraverso una superficie che delimita due zone di profondità diversa, poiché le due zone si comportano sull'onda come due mezzi differenti. Questa prerogativa viene sfruttata per studiare il fenomeno della rifrazione attraverso un ondoscopio, uno strumento dotato di una lamina o di una punta vibranti in un piccolo specchio d'acqua, che producono rispettivamente onde piane e onde circolari. Utilizzando una lamina vibrante e facendo transitare un'onda su due superfici a profondità differente, si osservano facilmente la deviazione dell'onda dalla sua direzione di propagazione iniziale e una variazione della sua lunghezza d'onda. In particolare, quando un'onda passa da una zona dove l'acqua è più profonda a una zona dove l'acqua è meno profonda, la sua lunghezza d'onda diminuisce. Per il legame tra la lunghezza d'onda e la velocità di propagazione, se diminuisce la lunghezza d'onda diminuisce anche la velocità di propagazione.

Nel caso generale, se indichiamo con v1 la velocità dell'onda nel primo mezzo e con v2 la velocità dell'onda nel secondo mezzo, si definisce indice di rifrazione relativo del secondo mezzo rispetto al primo (n12) il rapporto tra i due valori di velocità:

Quando un'onda luminosa passa dal vuoto a un mezzo ? per esempio, l'aria ? l'indice di rifrazione del mezzo rispetto al vuoto si dice indice di rifrazione assoluto del mezzo stesso.

La diffrazione

Il fenomeno della diffrazione avviene quando un'onda incontra un ostacolo di piccole dimensioni o, analogamente, una fenditura di piccole dimensioni su una barriera; se l'ostacolo o la fenditura hanno dimensioni paragonabili alla lunghezza d'onda dell'onda incidente, l'onda aggira l'ostacolo e si propaga anche nella parte di ostacolo che dovrebbe essere in ombra.

Se, per esempio, un'onda piana incontra un ostacolo o una fenditura, l'onda passa attraverso l'ostacolo, ma quando emerge dalla parte opposta dell'ostacolo non è più un'onda piana, ma si è incurvata ai bordi della fenditura. Se poi la fenditura o l'ostacolo sono dell'ordine di grandezza della lunghezza d'onda dell'onda incidente, l'onda piana forma al di là della fenditura delle onde circolari, che si comportano come onde generate da una sorgente posta nella fenditura o sull'ostacolo.

La diffrazione si osserva per esempio nelle onde del mare che aggirano un palo piantato sul fondo e che sporge al livello dell'acqua, o in corrispondenza di moli o frangiflutti: le onde non si limitano a passare al di là degli ostacoli, ma invadono anche lo spazio retrostante gli ostacoli stessi. Nelle onde luminose il fenomeno della diffrazione è molto evidente se si utilizzano fenditure od ostacoli molto piccoli.

L'interferenza

L'interferenza si verifica quando due onde si incontrano sul loro cammino. Se gettiamo due sassi in uno stagno l'uno vicino all'altro, le onde prodotte dai due sassi si sovrappongono. Allo stesso modo, quando due barche si incrociano sul mare, le onde prodotte dal loro passaggio si sovrappongono.

In generale, quando in un mezzo viaggiano due o più onde, vale il principio di sovrapposizione (v. fig. 20.3): quando due onde si sovrappongono, l'onda risultante si ottiene sommando tra loro, in ogni istante e in ogni punto, gli spostamenti relativi a ciascuna onda, tenendo conto sia dell'intensità sia del verso (la risultante è quindi la somma vettoriale delle due onde originarie).

Un'importante caratteristica dell'interferenza tra onde è data dal fatto che l'onda risultante, descritta dal principio di sovrapposizione, non altera le due onde originarie, le quali, al di là della zona di sovrapposizione, mantengono le loro caratteristiche originarie.

Si parla di interferenza costruttiva (v. fig. 20.4) quando le due onde si sommano a dare un'onda di ampiezza maggiore. Nel caso in cui le due onde abbiano uguale ampiezza e uguale frequenza e siano in concordanza di fase, cioè disposte in modo che creste e ventri della prima corrispondano agli stessi punti della seconda, l'onda risultante ha la medesima frequenza delle prime due e ampiezza doppia.

Quando un'onda viene fatta passare attraverso una doppia fenditura, per il fenomeno della diffrazione ciascuna fenditura si comporta come una sorgente di onde circolari; se le due fenditure sono poste sufficientemente vicine l'una all'altra, al di là delle stesse si verificano anche fenomeni di interferenza tra le onde "generate" dalle fenditure. Le onde risultanti da fenomeni di interferenza prodotti da diffrazione su una doppia fenditura sono verificabili per esempio con un ondoscopio, facendo passare l'acqua attraverso una barriera dotata di una doppia apertura della medesima lunghezza della lunghezza d'onda dell'onda generata sullo strumento: come si può osservare, si producono delle figure, dette figure di interferenza. Le figure di interferenza sono molto ben verificabili e visibili anche con le onde luminose.

Si parla invece di interferenza distruttiva quando due onde producono un'onda di ampiezza inferiore, fino al caso limite in cui, se le due onde che interferiscono sono in opposizione di fase (le creste dell'una corrispondono ai ventri dell'altra) e possiedono ampiezza e frequenza pari, esse si annullano a vicenda e l'oscillazione risultante è nulla. Si può avere inteferenza anche con una sola onda, quando questa incontra un ostacolo e viene riflessa: l'onda incidente e l'onda riflessa formano figure di interferenza esattamente come se si trattasse di due onde distinte.

Media

Figura 20.3Figura 20.4

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