Onde Acustiche e Onde Elettromagnetiche

From: dumbo <_cmass_at_tin.it>
Date: 2000/03/24

Ilaria nel suo articolo del 23 marzo chiede quali
sono le somiglianze e le differenze tra onde sonore
e onde elettromagnetiche.
Cara Ilaria, credo che la tua domanda attirer� una
valanga di risposte perch� l'argomento � appassionante
(le onde ricoprono un ruolo capitale nella fisica sia
classica che moderna) e la ricerca di analogie tra fenomeni
diversi � un esercizio stimolante per il pensiero, un esercizio
che nella storia della fisica (e non solo in quella) ha portato
a errori ma anche, e pi� spesso, alla formulazione di nuovi
modelli teorici utili al progresso sia tecnico che concettuale.
Pertanto, a fianco delle altre risposte che avrai, leggi anche
questa e considerala, assieme alle altre, come il tassello di
un mosaico armonioso che, mi auguro, contribuir� ad
alimentare il tuo interesse per quella scienza meravigliosa
e terribile che si chiama Fisica.
E dopo questo slancio lirico, vengo al sodo:

Per brevit� chiamer� onde S le onde sonore, e onde EM le onde
elettromagnetiche.
Premetto che in natura esistono due tipi fondamentali di onde:
le trasversali T, e le longitudinali L. In tutte e due c'� qualcosa
che oscilla, ma mentre nelle T l'oscillazione � perpendicolare
alla direzione di propagazione, nelle L l'oscillazione avviene
nella stessa direzione nella quale avviene la propagazione.
Per esempio: le onde che si producono agitando una corda
sono onde T, quelle che si propagano lungo una molla quando
un'estremit� viene ritmicamente tirata e lasciata sono di tipo L.

Fatta questa distinzione molto importante, eccoti la prima
differenza tra onde S e onde EM;

Le onde EM sono sempre (sottolineo, sempre) di tipo T,
mentre invece le onde S nei gas e nei liquidi sono sempre
di tipo L ; solamente nei solidi si possono trovare onde S T
(questo perch� i solidi -- a differenza dei gas e dei liquidi --
sono capaci di reagire elasticamente anche alle sollecitazioni
tangenziali, che modificano la forma ma non il volume).

Detto pi� concretamente: le onde EM sono come dice il nome
oscillazioni di campi elettrici ( E ) e magnetici ( M ) nel vuoto;
il campo E � sempre perpendicolare alla direzione di propagazione
(se l'onda viaggia da nord a sud, E vibra da est a ovest )
La stessa cosa f� il campo M; insomma mentre l'onda v�
dritta in avanti, E ed M oscillano " di traverso "; da questa
oscillazione " di traverso " viene il nome " trasversale "
Invece, nelle onde S abbiamo particelle che vanno avanti e indietro
lungo la stessa linea in cui avviene lo spostamento dell'onda;
 " lungo " la stessa linea, e da qui viene il nome " longitudinali "
(immagino dal latino longus = lungo; ma bisognerebbe chiedere
al NG it.filologia classica, se c'�).
  
La seconda differenza � quella che hai gi� detto tu, cio�
le onde L si propagano nel vuoto mentre le onde S hanno
bisogno di un supporto materiale.

Immagino ci siano altre differenze, ma adesso guardiamo
le somiglianze:

il suono che proviene da una sorgente puntiforme si attenua
col quadrato della distanza, e cos� anche la luce.
La spiegazione di questo fatto � che entrambi i tipi di onde
si propagano nello spazio a tre dimensioni; l'energia dell'onda
si distribuisce sopra superfici sferiche centrate nella sorgente,
e di raggio uguale alla distanza dalla sorgente.
L' area della sfera � proporzionale al quadrato del raggio e quindi
l'energia dell'onda a distanza d dalla sorgente, dovendosi
diluire su tutta la superficie sferica di raggio d, diventer� pi�
debole in ragione del quadrato di d (ahim�, che brutta spiegazione,
ma senza fare disegni non riesco a essere pi� chiaro).
Se fossimo esseri bidimensionali costretti a vivere come ombre
su una superficie piana le cose invece andrebbero cos�: il suono
( e anche la luce) si propagherebbe con cerchi concentrici
e la loro intensit� diminuirebbe con la prima potenza della distanza
(perch� la circonferenza di un cerchio � proporzionale alla
prima potenza del raggio). Se invece vivessimo in quattro dimensioni
l'intensit� diminuirebbe col cubo della distanza, cio� molto
pi� rapidamente, e faremmo pi� fatica sia a vederci che ad
ascoltarci.

Una seconda somiglianza � che le leggi della riflessione,
rifrazione, diffrazione (e interferenza) sono le stesse sia
per la luce che per il suono.

Una terza somiglianza � che sia le onde S che le EM
obbediscono al principio di sovrapposizione.
Per esempio: prendi due torce elettriche e accendile;
hai prodotto due fasci luminosi. Ora incrocia i due fasci,
e vedrai che passano uno attraverso l'altro senza rompersi,
senza deviare, senza rimbalzare uno sull'altro;
ognuno si comporta come se l'altro non esistesse, si ignorano,
tirano dritto per la propria strada.
La stessa cosa accade per il suono.

Una quarta somiglianza (la pi� importante di tutte, perch�
racchiude in s� tutte le altre somiglianze) � che le onde
EM e le onde S obbediscono alla stessa equazione
di propagazione(equazione delle onde di D'Alembert).
E' un'equazione molto generale cui obbediscono quasi tutte
le onde (S, EM, delle corde vibranti, del mare ...) quando
si propagano in un mezzo omogeneo (nel caso della luce
questo pu� significare anche il vuoto, perch� il vuoto �
omogeneo). E' un'equazione differenziale del secondo
ordine cio� contiene le derivate seconde della cosa
che vibra (il campo E o il campo M nel caso delle onde EM,
la pressione nel caso delle onde S, il livello dell'acqua
nel caso delle onde sull'acqua, lo spostamento laterale
nel caso della corda tesa...).
Per� c'� da dire una cosa: mentre le onde EM (in un mezzo
omogeneo) soddisfano sempre l'equazione di D'Alembert
qualunque sia la loro intensit� (anche enorme), la stessa
cosa non si verifica per le onde S ; queste sono descritte
molto bene dall'equazione di D'Alembert solo se sono
abbastanza deboli; altrimenti sorgono complicazioni;
succede addirittura che, quando l'intensit� � troppo forte,
non viene soddisfatta nessuna equazione differenziale; �
il caso delle onde d'urto (come quando scoppia una bomba).
In questi casi il principio di sovrapposizione (che � una
conseguenza dell'equazione di D'Alembert) non vale.
Ma in tutte le circostanze della vita pratica l'equazione
di D'Alembert � soddisfatta anche dalle onde S, cosicch�
alla tua domanda " esiste un formalismo comune ? " .
si pu� rispondere s�, � il formalismo dell'equazione di D'Alembert.

Cordiali saluti.

Corrado



 

 




 
Received on Fri Mar 24 2000 - 00:00:00 CET