Onde

La prima idea del movimento e della danza mi è venuta di sicuro dal ritmo delle onde.

Isadora Duncan

Le onde costituiscono un affascinante fenomeno naturale.

Il termine onda è una parola comune con una storia molto antica. Esso proviene dalla parola latina unda, che, come in italiano, indica le increspature alla superficie dell'acqua. Ma le onde nell'acqua sono in realtà solo un particolare tipo di onde! Qual è il significato di onda in fisica?

Molti fenomeni naturali sono descritti in termini di onde. Le onde nell'acqua sono insieme il prototipo dell'onda e un caso particolare, in quanto sono onde che interessano prevalentemente la superficie di separazione tra due mezzi (aria e acqua), ed hanno caratteristiche meno generali delle onde che viaggiano in un mezzo omogeneo.

Le onde elettromagnetiche sono perturbazioni di campi elettromagnetici generati da cariche elettriche in movimento (per esempio elettroni). Esse interagiscono con la materia in diversi modi (possono essere assorbite, riflesse, trasmesse) e hanno effetti diversi a seconda della loro frequenza, variando dalle onde radio usate nelle telecomunicazioni, alle microonde (usate per esempio nei telefoni cellulari oltre che nei ben noti forni a microonde) alla luce visibile, alle pericolose radiazioni ionizzanti come i raggi X e i raggi gamma. Esse sono onde trasversali: la vibrazione avviene in direzione ortogonale alla direzione di propagazione dell'onda (come l'onda di una corda tesa!)

La questione sulla natura della luce (intesa in tutto il suo spettro, cioè non solo la luce visibile, ma anche quella invisibile, come la radiazione infrarossa, le onde radio e così via) comunque è un tipico esempio di un caso più difficile da decidere. Teorie opposte a sostegno della natura corpuscolare e ondulatoria della luce si sono susseguite fino dall'antichità, ed hanno trovato un'originale soluzione nella fisica contemporanea, secondo cui sia la radiazione, sia la materia posseggono tratti comuni a particelle e a onde, quando sono osservate ad un livello microscopico.

Le onde meccaniche riguardano molteplici aspetti della nostra vita quotidiana e sono associate fondamentalmente a oscillazioni e vibrazioni (una barra di ferro che viene percossa, corda tesa in oscillazione, onde in uno stagno, le onde sonore attraverso diversi materiali, quali aria, acqua, solidi in generale).

Le onde sonore, oltre che uno dei mezzi fisiologici di comunicazione dell'uomo, sono dunque un tipo particolare di onde meccaniche. Esse sono onde longitudinali: la vibrazione delle molecole che costituiscono il mezzo (aria, metallo, acqua, altri materiali) avviene nella direzione di propagazione dell'onda.

Esempio con le molecole di aria:

Alle onde sono associate diverse proprietà:

La Frequenza, che ci dice quante volte un oggetto vibra in un secondo e che si misura in Herz (Hz). Un Hz (Herz) significa 1'oscillazione al secondo. L'orecchio umano può interpretare le oscillazioni che variano tra i 20Hz e i 16.000 Hz.

L'Intensitá, che si misura in decibel. Con i decibel si misura la pressione acustica provocata dal suono nel mezzo di propagazione.

Il timbro, che è la caratteristica che ci consente di distinguere il suono di uno strumento da quello di un altro: esso ci dà delle informazioni sulla forma dell'onda sonora.

Nel Giardino di Tore l'Inventore potete effettuare diversi esperimenti sulle onde sonore:

Esplorazioni sonore

Dove potete scoprire la riflessione delle onde sonore ed esplorare fenomeni di interferenza (cioè quando le onde si sovrappongono, aumentando la loro intensità). Si parla anche di riverbero, il fenomeno acustico legato alla riflessione dell'onda sonora da parte di un ostacolo posto davanti alla fonte sonora, in questo caso il muro. Il riverbero ha aspetti positivi come il rinforzo dell'intensità della sorgente, ed è un tema che viene affrontato quando si costruiscono auditori, teatri o altre grandi sale dove appunto l'acustica gioca un ruolo importante.

Il suono della vibrazione

Dove potete scoprire come il suono (in questo esperimento esso è creato dalla vibrazione di pali di metallo) si propaga anche attraverso corpi solidi (in questo caso la vostra testa) senza usare le...orecchie (esterne).

Il Flauto di Pan

Dove potete scoprire che non tutti i suoni "entrano e si rinforzano" in determinati tubi. Ad ogni singolo suono infatti sono associati una cosiddetta lunghezza d'onda e una frequenza. Quanto più è piccola la lunghezza d'onda (la distanza tra due creste nella figura in alto), tanto più è grande la frequenza (il numero di volte in cui queste creste si ripetono in un secondo).

Organo a percussione

Dove potete scoprire la relazione tra lunghezza e frequenza dei suoni, dati dalla vibrazione della colonna d'aria nei tubi stessi. Quanto più è lungo il tubo, tanto più grande sarà la lunghezza d'onda del suono associato che può essere prodotto percuotendo il tubo e tanto più piccola la frequenza relativa (il suono è più basso!). Si parla in questo caso di risonanza (anche nel caso del Flauto di Pan): i tubi "risuonano", nel senso che un suono con una particolare frequenza risulta rinforzato.

Referenze e approfondimenti

Exhibit del Giardino di Tore l'Inventore

Riferimenti e approfondimenti:

In italiano:

In inglese:

Flauto di Pan

Si sente qualcosa?

Cosa fare:

  • Avvicinate l'orecchio all'apertura del tubo e tappate l'altro orecchio con una mano.
  • Che cosa sentite? Provate ad ascoltare anche gli altri tubi.

Cosa succede?

Sia che le foglie stormiscano nel bosco o che molti visitatori si muovano in un parco, c'è sempre qualcosa che entra in oscillazione: l'aria vibra. In questo sottofondo sonoro circostante i tubi agiscono da filtri, lasciando passare solo quelle oscillazioni che corrispondono alla loro geometria e soprattutto alla loro lunghezza. Più le oscillazioni al secondo aumentano, più il suono diventa acuto.

Nei tubi di quest'esperimento, la frequenza dell'oscillazione dell'aria dipende naturalmente dalla lunghezza degli stessi.

Perciò nel tubo più lungo l'aria oscilla meno frequentemente di quanto faccia in un tubo corto. Per questo nel tubo più lungo si sente un suono più grave di quello che si sente nel tubo più corto. Questo dunque è il suono che presenta l'oscillazione adatta a entrare nel tubo.

Ideazione: Swiss Science Center Technorama
Realizzazione: Parco Giochi delle Scienze
Immagini: Swiss Science Center Technorama

Organo a percussione

Cosa fare?

  • Prendi la ciabatta di gomma e battila delicatamente sull'apertura del tubo.Se colpisci bene, otterrai un suono.
  • Prova a suonare un motivetto. È uno strumento che si può suonare anche in due, con ancor più soddisfazione.

Cosa succede?

L'altezza dei suoni emessi da questi tubi dipende dalla loro lunghezza e diametro. Così funzionano anche, per esempio, un organo oppure un flauto di pan. A differenza di una corda pizzicata, in cui una corda vibrante viene modificata nella sua lunghezza, qui ciascun suono viene prodotto da un solo elemento vibrante.

In questo organo viene utilizzata una scala con otto suoni con i consueti intervalli di toni e semitoni, il che del resto si riconosce chiaramente dalla diversa lunghezza dei tubi.

  • Ideazione: Martin Bradke
  • Realizzazione: Parco Giochi Delle Scienze
  • Immagini: Technorama

Il suono della vibrazione

Cosa fare?

  • Infilate l'indice di ciascuna mano negli anelli all'estremità delle cordicella. Poi infilate gli indici nelle vostre orecchie, in modo da tenere peró la cordicella tesa.
  • Percuotete l'oggetto di metallo intorno a cui passa la cordicella (o chiedete ad un compagno di farlo per voi) Cosa sentite?
  • Provate con altri oggetti.

Cosa succede?

Quando si percuotono degli oggetti le onde sonore prodotte dalle vibrazioni vengono trasmesse attraverso l'aria e arrivano al nostro orecchio. Se ora si crea un contatto diretto tra l'oggetto vibrante e l'orecchio, le oscillazioni vengono trasmesse direttamente attraverso il corpo solido (cioè la corda tesa e le ossa delle dita).

Tuttavia le vibrazioni vengono percepite pur sempre come suoni, ma in qiesto modo ci sará meno dispersione e il suono risulterá piú tondo, piú completo.

  • Ideazione: Technorama
  • Realizzazione: Parco Giochi Delle Scienze
  • Immagini:Parco Giochi Delle Scienze

Esplorazioni sonore

Cosa fare:

  • Mettetevi in uno dei quadrati segnati a terra e parlate (eventualmente ad alta voce) rivolti verso la parete dove è affissa la Girandola Magica.
  • Cosa notate? Sentite la vostra voce amplificata?
  • Provate anche stando negli altri quadrati a terra o cercate altre posizioni anche lungo il corridoio sotto la pensilina.

La voce umana è un suono. Quando questo incontra la parete, si riflette e torna indietro: in particolari punti lungo il corridoio il suono riflesso e quello sorgente si incontrano e, per cosí dire, si sommano amplificando appunto l'intensitá.

La presenza inoltre della pensilina stessa fa sí che queste onde viaggino in una specie di tunnel, evitando troppe dispersioni ed aumentando l'effetto.

  • Ideazione: Martin Bradke
  • Realizzazione: Parco Giochi Delle Scienze
  • Immagini: Technorama

Il presente progetto è cofinanziato con il sostegno della Fondazione CON IL SUD.