Onde
Perturbazioni dello stato di un corpo o di un campo che si propagano nello spazio con trasporto di energia ma
senza trasporto di materia.
Onde meccaniche:
• si propagano all’interno di un mezzo, solido o fluido;
• la perturbazione corrisponde ad uno spostamento s di una porzione di materia dalla posizione di equilibrio.
Onde elettromagnetiche:
• perturbazione del campo elettromagnetico (s = E o B);
• si propagano anche nel vuoto.
caratteristiche comuni Onde: generalità
Le onde possono propagarsi
• lungo un asse (uni-dimensionali),
• su una superficie (bi-dimensionali)
• nello spazio (tri-dimensionali)
onda elettromagnetica
→→
→→
E B
x
→→
→→
→→
→→
λλλλ
B
oE
ov
→→
→
→
→→
→→
→
→
→
→
onda meccanica (suono)
onda meccanica lungo una fune
onda meccanica lungo una molla
Esempi di fenomeni ondulatori
onda meccanica
(superficie gas-liquido)
vibrazione propagazione
esempio :
onda lungo una corda
vibrazione propagazione
esempio :
onda di percussione in un solido
Onde trasversali e longitudinali
onde trasversali
onde longitudinali
Perimetri e superfici d’onda
Punti dello spazio ove vi è - ad un certo istante – lo stesso stato di perturbazione del mezzo in cui l’onda si propaga.
Raggi di propagazione:
in ogni punto dello spazio, rappresentano la direzione perpendicolare alle superfici
d’onda
Onde circolari Onde sferiche
Onde piane
raggio
raggio raggio
Onde che presentano la stessa configurazione in intervalli spaziali e temporali successivi.
Onde periodiche
) 2
( sen )
(
) 2
( sen )
(
ϕ λ
π ϕ
π ⋅ +
⋅
= ⋅ ⋅ +
=
x A
x s
T t A
t s
A = ampiezza T = periodo
Un’onda sinusoidale è un’onda periodica la cui descrizione è data da una semplice funzione trigonometrica
doppia periodicità: temporale e spaziale
λλλλ = lunghezza d’onda
φφφφ = fase
Lunghezza d’onda [m] (λλλλ)
Distanza spaziale fra due creste (o gole) successive.
Frequenza [Hz=s-1] (f)
Numero di ripetizioni della medesima configurazione nell’unità di tempo.
Ampiezza (A)
Massimo spostamento dalla posizione di equilibrio, è legata alla quantità di energia trasportata. L’unità di misura dipende dal tipo di onda in esame.
T λ = λ f
= v
Periodo [s] (T)
Intervallo di tempo fra due identiche configurazioni.
T 1 f
=
Velocità[m/s] (v)
Velocità di spostamento della superficie d’onda.
Velocità delle onde acustiche nell’aria:
v=344 m/s
Parametri di un’onda periodica
x=cost.
t=cost.
Esempio:
Calcolare la frequenza corrispondente ad un’onda di periodo T=10 msec.
Calcolare la corrispondente lunghezza d’onda sapendo che la velocità di propagazione è v=340 m/s
[ R . f = 100 Hz ]
[ R . λ = 3 , 4 m ]
Un’onda “non sinusoidale” è chiamata complessa: essa può essere periodica, o no.
Un’onda (o segnale) complessa può essere considerata come la somma (algebrica) di segnali sinusoidali ciascuno di data frequenza e intensità.
Se l’onda complessa è periodica (con periodo T), esso si può scomporre in un certo numero di onde sinusoidali le cui frequenze sono multipli interi di una frequenza chiamata frequenza fondamentale.
In questo caso le onde componenti prendono il nome di armoniche: la prima armonica è chiamata fondamentale e la sua frequenza è uguale a 1/T; la seconda armonica ha una frequenza 2/T, la terza armonica 3/T e così via.
Scomposizione di un’onda
Potenza P di una sorgente [W]
È l’energia emessa da una sorgente (sonora) nell’unità di tempo.
Intensità di un’onda I [W/m
2]
Rappresenta l'energia trasportata dall’onda che nell'unità di tempo fluisce attraverso una superficie unitaria.
Variazione di intensità con la distanza dalla sorgente:
Sfera 1:
Sfera 2:
Caratteristiche energetiche di un’onda
t S I E
∆
= ⋅
2 1
1
4 d
I P
= π
2 2
2
4 d
I P
= π
2 1 2
2 1
2
I
d I = d
L’intensità è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente (legge del quadrato della distanza)
Esempio:
L’intensità di un’onda a 10 cm dalla sorgente è pari a 100 W/m
2. Calcolare l’intensità ad un metro di distanza dalla sorgente.
[ R . I = 1 W/m
2]
punto di equilibrio
molecola in moto
A x(t)
spostamenti delle particelle compressioni e dilatazioni fluidi :
addensamenti e rarefazioni
onda di pressione che si propaga
vibrazione meccanica delle particelle di un mezzo materiale (gas, liquido, solido)
Onde acustiche
Onde acustiche
) 2
(
sen π x λ
p
p = ∆ o ⋅
∆
5600 m/s Vetro
5100 m/s Alluminio
3850 m/s Legno
1570 m/s Tessuto corporeo
1480 m/s Acqua
344 m/s Aria
Velocità di propagazione Materiale
NOTA: Nel passaggio tra due mezzi con diverse velocità di
propagazione, la frequenza dell’onda si mantiene inalterata mentre varia la lunghezza d’onda.
Velocità di propagazione delle onde acustiche
SUONO onda sonora :
orecchio umano sensibilità
20 Hz < f < 2 10 4 Hz
infrasuoni ultrasuoni
v = λ λ λ λ f
v aria = 344 m s –1 v H2O = 1450 m s –1
17.2 m < λλλλ < 1.72 cm
72.5 m < λλλλ < 7.25 cm
SUONO caratteristiche di un suono
altezza frequenza
timbro composizione armonica intensità energia
∆∆∆∆ S ∆∆∆∆ t
Orecchio esterno:
Il canale uditivo (l ~ 25 mm) funge da risonatore alla
frequenza di circa 3000 Hz.
Orecchio medio:
Il sistema di ossicini (leva di I
otipo) trasmette le vibrazioni del timpano all’orecchio interno
tramite la finestra ovale.
Orecchio interno:
E` un sistema idrodinamico complesso (coclea) contenente un fluido (perilinfa) e i recettori nervosi (cellule ciliate).
L’orecchio umano è sensibile a fluttuazioni di pressione fino a 10
-5Pa (10
-10atm) !!
Orecchio umano
L’orecchio umano è sensibile ad intensità sonore tra 10
-12W/m
2e 10
2W/m
2. Tuttavia, la sensazione uditiva non è proporzionale all’intensità sonora, ma approssimativamente al suo logaritmo.
Livello di intensità sonora IL [dB]
E` definito come il logaritmo del rapporto fra l’intensità misurata rispetto ad una intensità di riferimento (I0):
dB]
[ log
10
0 10
I IL = I
Il decibel
Per convenzione internazionale:
I0 = 10-12 W/m2 (minima intensità percepibile dall’orecchio)
10
-12W/m
2a 10
2W/m
2→ → → → tra 0 e 140 dB
Intensità sonora (W/m2)
Livello d’intensità
(dB)
Condizione ambientale Effetto sull’uomo
102 140 Soglia del dolore
1 120 Clacson potente, a un metro
Lesioni dell’orecchio nel caso di ascolto prolungato
10-1 110 Picchi d’intensità di una grande orchestra
10-2 100 Interno della metropolitana
10-3 90 Picchi di intensità di un pianoforte
Zona pericolosa per l'orecchio
10-4 80 Via a circolazione media 10-4,5 75 Voce forte, a un metro
10-5 70 Conversazione normale, a un metro 10-6 60 Ufficio commerciale
Zona di fatica
10-7 50 Salotto calmo
10-8 40 Biblioteca Zona di riposo (giorno)
10-9 30 Camera da letto molto calma 10-10 20 Studio di radiodiffusione 10-12 0 Soglia di udibilità
Zona di riposo (notte)
Grafico dell’acuità uditiva in relazione a intensità e frequenza
Acuità uditiva
Propagazione delle onde acustiche in presenza di ostacoli
Vi sono diversi fenomeni legati alla propagazione di un’onda in
presenza di ostacoli. Sono classificati come segue:
⇒ Riflessione
⇒ Diffrazione
⇒ Rifrazione
La fenomeno della diffusione non
e` nient’altro che una combinazione
di rifrazione e diffrazione.
Un’onda che incide su una superficie che separa due mezzi
diversi viene parzialmente riflessa nel mezzo da cui proviene e parzialmente trasmessa (rifratta) nel nuovo mezzo.
Se la dimensione della superficie e` molto maggiore della lunghezza d’onda λ , la riflessione di un’onda puo` essere descritta con semplici leggi geometriche
Riflessione Rifrazione
Riflessione e rifrazione delle onde
Leggi di Snell e Descartes:
• I raggi incidente (i), riflesso (r), rifratto (t) e la normale (n) alla superficie giacciono sullo stesso piano;
• gli angoli di incidenza e di riflessione sono uguali:
• gli angoli di incidenza e di trasmissione (o rifrazione sono legati alle velocita` di
propagazione dell’onda v1 e v2 nei due mezzi:
' 1
1 θ
θ =
1 2 1
2 1
2
v v sin
sin =
≈
θ θ θ
θ
Nota: se
v1 < v2 esiste un angolo limite θθθθcdi incidenza oltre il quale l’onda viene interamente riflessai r
t n
I fronti d’onda di un’onda piana quando passano attraverso una fenditura o incontrano uno spigolo vengono incurvati.
L’onda dopo l’ostacolo non ha più un fronte piano;
⇒
⇒
⇒
⇒ l’onda si propaga nella zona d’ombra geometrica.
L’angolo di curvatura dipende dalla larghezza della fenditura e dalla lunghezza d’onda dell’onda incidente.
Se λ: lunghezza d’onda incidente d: larghezza fenditura
e diffrazion nessuna
,
0
parziale e
diffrazion
, 90 0
direzioni le
in tutte e
diffrazion
, 90
0 0
=
<< ⇒
<
<
< ⇒
=
≥ ⇒
ϑ λ
ϑ λ
ϑ λ
d d d
Grazie al fenomeno della diffrazione, le onde acustiche possono aggirare gli ostacoli.
Questo fenomeno e` tanto piu` efficiente quanto maggiore e` la lunghezza d’onda.
Diffrazione delle onde
zona d’ombra zona d’ombra
Effetto Doppler
La frequenza percepita da un ascolatatore dipende dal moto
relativo della sorgente e dell’ascoltatore.
o
a
f
c
f c ⋅
±
′ = v
Esempio:
suono di un clacson di
automobile che passa:
I) Sorgente in quiete, ascoltatore in movimento
va = velocità dell’ascoltatore
fo = frequenza del suono emesso
f’ = frequenza percepita dall’ascolatatore
+
⇒ ascoltatore che si avvicina-
⇒ ascoltatore che si allontana Si ottiene:II) Sorgente in movimento, ascoltatore in quiete Effetto Doppler
vs = velocità della sorgente
fo = frequenza del suono emesso
f’ = frequenza percepita dall’ascolatatore
o s
c f
f c ⋅
= ±
′ v
+
⇒ sorgente che si allontana-
⇒ sorgente che si avvicina Si ottiene:Esempio: una sirena emette una suono di frequenza fo = 1000 Hz.
Assumendo c = 344 m/s:
se l’ascoltatore si allontana dalla sirena con va= 15 m/s;
f’ = 956 Hz
se la sirena si allontana dall’ascoltatore con vs = 15 m/s f’ = 958 Hz
E = E(x,t)
→→→→ →→→→B = B(x,t) B
→→
→→
→
→
→
E
→t
→
→→
E
→B
x
→
→→
→
→→
→→
B
oE
o→
v
→
→
→
→
→→
→
→→→
→
y
x o
z
→→→
→ →→→→
B
o→
→
→
→
E
o→→→
→
λλλλ
T
v = λλλλ T
Una carica elettrica in moto
emette o assorbe onde elettromagnetiche quando soggetta ad accelerazione
Onde elettromagnetiche
nel vuoto (unità S.I.) v ≡≡≡≡ c
c = 3 ·10 8 m s –1
velocità della luce nel vuoto
massima velocità possibile in natura
Velocità della luce
ONDE RADIO MICRO
ONDE INFRA-
-ROSSO
VISIBILE ULTRA-
-VIOLETTO RAGGI
X RAGGI
GAMMA
102 10–2 1
10–4 10–6
10–8 10–10
10–12 10–14
λλλλ (m) (m)
f
(Hz)
f
(Hz)
108 1063 108 Hz 1010
1012 1014
1016 1018
1020 1022
(cm) ( µ m) (mm)
(fermi) (Å) (nm) λλλλ
λλλλ f = c
λλλλ
700600 400 500
(nm)
Spettro delle onde elettromagnetiche
2,42 Diamante
1,46 Quarzo fuso
1,66 Vetro flint
1,36 Alcool etilico
1,53 Cloruro di sodio
1,33 Acqua
1,52 Vetro crown
1,0003 Aria (20
oC)
indice di rifrazione sostanza
indice di rifrazione sostanza
Luce: indice di rifrazione
v n = c
E` il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto c e la velocità della luce v nel mezzo in questione
λ=589 nm
1,51160 768,2
1,51458 656,3
1,51714 589,3
1,51929 546,1
1,52283 491,6
1,52798 435,9
1,53189 404,7
Indice di rifrazione Lunghezza
d’onda (nm)
Dispersione della luce
L’indice di rifrazione dipende dalla lunghezza d’onda della luce. Per esempio, per il vetro si ha:
Spettroscopio
Riflessione totale
Se la luce passa da un mezzo più rifrangente ad un mezzo meno rifrangente (es. da acqua ad aria), l’angolo di rifrazione θθθθr è maggiore dell’angolo di incidenza θθθθi (legge di Snell):
Esiste un angolo di incidenza limite θθθθlim al di sopra del quale il raggio incidente è interamente riflesso
θθθθlim θθθθi>θθθθlim
θθθθi<θθθθlim
Esempio:
Nota:
La riflessione totale è alla base del funzionamento delle fibre ottiche utilizzate per le
endoscopie acqua
Lenti sottili
Lente: corpo trasparente limitato da due superfici sferiche levigate
convergenti divergenti
Lente sottile: quando lo spesore massimo della lente è molto più
piccolo dei raggi di curvatura delle due calotte sferiche
Asse ottico: retta passante per i centri di curvatura delle due calotte.
Centro ottico: centro della lente (si trova sull’asse ottico) Fuoco: punto sull’asse ottico ove convergono raggi
paralleli all’asse ottico (ce ne sono 2 !). La distanza f del fuoco dal centro ottico è chiamata distanza focale.
Per una lente sottile : f1 = f2= f
Lente biconvessa
• convergente
• fuoco “reale”
• f > 0 , ψ > 0
Potere diottrico
Il potere diottrico ψ di una lente è l’inverso della distanza focale
f
= 1
ψ Unità di misura: diottrie ( = m
-1) Es: se f=20 cm, ψ = + 5 diottrie
Lente biconcava
• divergente
• fuoco “virtuale”
• f < 0 , ψ < 0
Il potere diottrico di più lenti sottili a contatto tra loro è
pari alla somma dei poteri diottrici di ciascuna lente
Equazione del fabbricante di lenti:
p = distanza dell’ogetto dalla lente q = distanza dell’immagine dalla lente f = distanza focale della lente
Formazione delle immagini
raggi paralleli all’asse ottico raggi passanti per il fuoco raggi passanti per il centro
raggi passanti per il fuoco raggi paralleli all’asse ottico raggi passanti per il centro
rifrazione
Lente convergente
f q
p
1 1
1 + =
Lente divergente
L’occhio umano
Diametro ≈ 2 cm
Cristallino: raggio di curvatura variabile accomodamento
Punto prossimo: circa 25 cm Punto remoto : all’infinito
Intensità luminosa: può variare entro nove ordini di grandezza (109)
Anomalie visive
Miopia
Ipermetropia
correzione (lente divergente)
correzione (lente convergente)
Anomalie visive
Presbiopia: invecchiamento dei muscoli ciliari
⇒ ridotto potere di accomodamento
punto prossimo si allontana ⇒ lenti convergenti per vedere vicino Astigmatismo: curvatura irregolare della cornea
⇒ lenti cilindriche o sfero-cilindriche