onde trasversali e longitudinali: corda, liquidi, suono

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TITOLO: ONDE – Onde trasversali e longitudinali: corda, liquidi, suono

Struttura del video e scelte di layout:

– Il video si compone di 5 parti:

1. breve introduzione al concetto di onde dal punto fisico;

2. differenziazione tra onde trasversali e longitudinali con relativa dimostrazione pratica;

3. spiegazione onde sonore con due esperimenti connessi all’argomento;

4. caratteristiche di un’onda superficiale nei liquidi spiegate con breve parte pratica;

5. Breve panoramica dell’uso delle onde nella vita quotidiana e dei fenomeni naturali collegati.

– Si è scelto di utilizzare materiali facilmente reperibili in modo di dare la possibilità a qualsiasi tipo di pubblico di eseguire gli esperimenti successivamente.

– Accanto alle parti di video dedicati alla realizzazione degli esperimenti si è scelto di inquadrare il soggetto narrante e di inserire un sottofondo musicale in modo da tenere alta l’attenzione degli osservatori.

Contenuti teorici esposti:

– Un’onda dal punto di vista fisico è una qualunque perturbazione che si propaga nello spazio, trasportando energia ma non materia. L’onda è emessa da una sorgente e a seconda della posizione reciproca delle direzioni di vibrazione e di propagazione di un’onda distinguiamo onde trasversali e onde longitudinali. Un’onda è trasversale quando la sua direzione di propagazione è perpendicolare alla perturbazione che l’ha generata, mentre è longitudinale quando la sua direzione di propagazione è parallela alla perturbazione che l’ha generata. (vedi aspetto sperimentale 1)

– L’onda sonora è un esempio di onda longitudinale. Le onde sonore sono onde meccaniche che hanno bisogno necessariamente di un mezzo elastico per propagarsi. Questo mezzo è comunemente l’aria, ma può essere anche un fluido come l’acqua o un solido. Se la sorgente sonora viene posta in vibrazione in un ambiente privo, ad esempio, di atmosfera (una campana di vetro a cui è aspirata l’aria) nessun suono può essere udito. Quando un corpo vibra, mette in vibrazione le particelle d’aria (o genericamente quelle del mezzo nel quale è immerso) che gli sono immediatamente adiacenti e trasmette a distanza la vibrazione attraverso un’onda detta onda sonora: nel mezzo al passaggio del suono si creano zone a pressione maggiori (compressioni) in cui la densità dell’aria risulta maggiore e zone a pressione minore (rarefazioni) con densità dell’aria minore; quest’alternanza di rarefazioni e compressioni costituisce il suono. (vedi aspetto sperimentale 2)

– Quando si pizzica una corda di chitarra si generano delle onde che si propagano verso i due estremi della corda. Arrivate alle due estremità, le onde si riflettono e si dirigono verso il capo opposto della corda. La sovrapposizione di queste onde, tutte della stessa frequenza, che si propagano lungo la corda dà origine a un fenomeno complessivo detto onda stazionaria: un’onda stazionaria è un’onda che non si propaga, ma rimane sempre nella stessa zona di spazio. In pratica non c’è propagazione lungo una certa direzione nello spazio, ma solo un’oscillazione nel tempo. Un’onda stazionaria ha due punti sempre fissi (detti nodi) agli estremi della corda; tutti gli altri punti della corda si muovono di moto armonico nello stesso verso: o tutti verso l’alto, o tutti verso il basso. Hanno tutti la stessa frequenza e si muovono in fase, cioè raggiungono insieme sia il punto massimo dell’oscillazione (creste), sia il punto minimo (ventri). (vedi aspetto sperimentale 3)

– Si è visto che esistono tantissimi tipi di onde e tutte hanno delle caratteristiche che le accomuna:

  1. sono perturbazioni che si propagano nello spazio tramite delle oscillazioni;
  2. non trasportano massa ma energia da un punto a un altro.

Vediamo ora le caratteristiche di un’onda superficiale nei liquidi. A differenza delle onde trasversali in una corda tesa, le onde superficiali si diffondono in tutte le direzioni. La particella d’acqua perturbata oscilla su e giù attorno alla sua posizione di quiete e comunica alla vicina la sua perturbazione e quella lo fa alla seguente, e così via.  Le particelle di acqua, durante la propagazione di un’onda, si muovono seguendo traiettorie circolari, ellittiche o simili (ciò dipende da molti parametri, difficilmente valutabili). Osservando il comportamento di un’onda prodotta da una goccia che cade in acqua può essere dimostrato il Principio di Huygens il quale afferma che: tutti i punti di un fronte d’onda possono essere considerati sorgenti puntiformi di onde sferiche secondarie aventi la stessa frequenza dell’onda principale. I nuovi fronti d’onda saranno la superficie di inviluppo di queste onde secondarie. (vedi aspetto sperimentale 4)

Aspetto sperimentale 1

OBIETTIVO: comprendere la differenza tra onde longitudinali e trasversali

MATERIALI: molla con attaccato un pezzo di nastro isolante

PROCEDURA:

  1. Si prende una lunga molla con un’estremità fissata e l’altra tenuta dalla mano dello sperimentatore
  2. Si applicano alla molla impulsi inizialmente trasversali e in un secondo momento longitudinali

OSSERVAZIONI: Quando la molla è mossa da un impulso trasversale si genera un’onda formata da una successione di regioni della molla che oscillano alternativamente verso l’alto e verso il basso e si propagano verso destra trasferendo la perturbazione a ogni anello successivo. Inoltre si nota che il pezzo di isolante compie oscillazioni attorno alla sua posizione di equilibrio e che i suoi spostamenti sono perpendicolari alla direzione in cui si propaga l‘onda. Quando la molla è mossa da un impulso longitudinale si genera un’onda formata da una successione di regioni della molla alternativamente compresse e diradate che si propagano lungo di essa. In questo caso, il segno nero fissato sulla molla si muove avanti e indietro compiendo oscillazioni nella stessa direzione in cui si propaga l’onda.

CONCLUSIONI: Muovendo velocemente un estremo della molla in direzione perpendicolare a essa, si ottiene un’onda trasversale, mentre se lo muoviamo nella direzione della lunghezza della molla si forma un’onda longitudinale.

Aspetto sperimentale 2

OBIETTIVO: esistenza delle onde sonore

MATERIALI: cellulare con applicazione (“sound oscilloscope”) che simuli un oscilloscopio, diapason, oggetto metallico per colpire il diapason

PROCEDIMENTO:

  1. Afferiamo il diapason all’estremità inferiore
  2. Facciamo partire l’oscilloscopio
  3. Percuotiamo il diapason con l’oggetto metallico

OSSERVAZIONI: non appena percuotiamo il diapason vediamo apparire sull’oscilloscopio onde più o meno regolari.

CONCLUSIONE: la sorgente del suono è un corpo che vibra.

Aspetto sperimentale 3

OBIETTIVO: mostrare come il suono influenzi la materia

MATERIALI: cassa Bluetooth, semolino, pellicola, recipiente, setaccio, cellulare collegato alla cassa e dotato di un’applicazione (“generatore di suoni”) che simuli un generatore di frequenze

PROCEDIMENTO:

  1. Si prende il recipiente e si inserisce al suo interno la cassa, collegata via Bluetooth ad un telefono
  2. Si copre la ciotola con la pellicola, posizionata in modo che sia il più tesa possibile
  3. Si cosparge sopra la pellicola del semolino con l’uso del setaccio in modo che sia distribuita uniformemente
  4. Si imposta una frequenza costante a scelta sull’app

OSSERVAZIONI: si può osservare come il semolino si accumuli dinamicamente determinate zone piuttosto che in altre.

CONCLUSIONE: Dobbiamo immaginare la pellicola come una corda tesa attraverso cui si propaga un’onda. Il risultato, quindi, è la produzione di onde stazionarie in cui sono presenti punti di massima oscillazione e zone non soggette a nessuna perturbazione, cioè zone in cui l’ampiezza della vibrazione è nulla. Il semolino si dispone su zone fisse in cui la vibrazione è nulla (punti nodali) e si allontana dalle zone in cui la vibrazione è massima (creste e ventri).

Aspetto sperimentale 4

OBIETTIVO: creazione di un’onda superficiale nei liquidi

MATERIALI: bacinella, acqua, contagocce

PROCEDIMENTO:

  1. riempiamo una bacinella di acqua
  2. facciamo cadere una goccia d’acqua da altezza libera

OSSERVAZIONI: appena la goccia tocca la superficie si formano dei cerchi concentrici che si allargano via via estendendosi sulla superficie.

CONCLUSIONI: la propagazione di un’onda sulla superficie dell’acqua avviene creando traiettorie circolari.

Sitografia:

scheda_ondetrasversalielongitudinalicordaliquidisuonoDownload