Onde e suono: spiegazione, formule ed esempio svolto

Un'onda meccanica è una perturbazione che si propaga in un mezzo materiale (aria, acqua, una corda) trasportando energia ma NON materia: le particelle oscillano attorno alla loro posizione e restano lì, come quando fai il "tifo" allo stadio (la ola attraversa la curva, ma le persone restano al loro posto). Per questo serve sempre un mezzo: nel vuoto un'onda meccanica non può viaggiare. Distinguiamo due tipi: nelle onde trasversali le particelle oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione (come una corda scossa), mentre nelle longitudinali oscillano avanti e indietro lungo la stessa direzione, creando zone di compressione e rarefazione (è il caso del suono nell'aria). L'idea chiave è quindi che ciò che si sposta è lo schema dell'oscillazione, non la sostanza.

Per descrivere un'onda usiamo tre grandezze legate fra loro. La lunghezza d'onda $\lambda$ è la distanza dopo cui lo schema si ripete (per esempio da una cresta alla successiva) e si misura in metri $\text{m}$; la frequenza $f$ è quante oscillazioni complete avvengono in un secondo e si misura in hertz $\text{Hz}$, cioè cicli al secondo. Il periodo $T$ è il tempo di una singola oscillazione, quindi $f=\dfrac{1}{T}$. Velocità, lunghezza d'onda e frequenza sono collegate dalla relazione $v=\lambda\cdot f$: se il mezzo fissa la velocità, allora onde più "strette" (piccolo $\lambda$) sono per forza più rapide a oscillare (grande $f$), come i denti fitti di un pettine che passano più spesso. Attenzione: la velocità dipende dal mezzo, non da quanto forte agiti la sorgente.

Il suono è un'onda longitudinale di pressione: la sorgente che vibra comprime e dilata l'aria, e queste variazioni arrivano al timpano facendolo oscillare. La frequenza determina l'altezza (acuto/grave): voci sottili hanno $f$ alta, voci profonde $f$ bassa; l'orecchio umano percepisce circa da $20\ \text{Hz}$ a $20\,000\ \text{Hz}$. L'intensità misura quanta energia l'onda trasporta su una superficie nel tempo, cioè una potenza per unità di area, $I=\dfrac{P}{S}$, in watt al metro quadro $\text{W/m}^2$; più è grande, più il suono ci appare forte. Poiché l'energia si distribuisce su sfere sempre più ampie allontanandosi, l'intensità cala rapidamente con la distanza: ecco perché una voce si affievolisce man mano che ti allontani.

L'effetto Doppler è il cambiamento di frequenza che percepiamo quando sorgente e ascoltatore si avvicinano o si allontanano: l'esempio classico è l'ambulanza, la cui sirena suona più acuta mentre arriva e più grave appena ti supera. Il motivo è intuitivo: se la sorgente ti viene incontro, "accorcia" le onde davanti a sé (frequenza più alta), mentre le "allunga" dietro (frequenza più bassa). L'interferenza invece accade quando due onde si sovrappongono e si sommano punto per punto: se le creste coincidono il suono si rinforza (interferenza costruttiva), se una cresta incontra una valle si cancellano (interferenza distruttiva), ed è il principio delle cuffie a cancellazione di rumore. In entrambi i fenomeni l'onda non si comporta come una pallina, ma come uno schema che può sommarsi o sfasarsi: questa è la firma tipica di tutto ciò che è ondulatorio.