Il fenomeni ondulatori si verificano quando le onde si propagano in un mezzo e incontrano altre onde, con cambiamenti nel mezzo, confini, spazi vuoti e ostacoli in generale. Ciò provoca alterazioni della forma delle onde e del loro movimento..
Le onde trasportano energia, non materia. Se guardiamo da vicino, quando una pietra viene lanciata in uno stagno, ciò che si propaga nell'acqua è il disturbo, poiché le molecole liquide si spostano brevemente dalla loro posizione di equilibrio e vi ritornano non appena il disturbo si allontana..
Poiché non vi è alcun trasporto di materia, possiamo aspettarci che le onde si comportino in modo diverso rispetto agli oggetti quando interagiscono..
Le onde riescono a passare attraverso mezzi diversi e persino ad occupare lo stesso spazio allo stesso tempo, cosa che le particelle con massa non possono fare, almeno a livello macroscopico (gli elettroni hanno massa e possono sperimentare fenomeni ondulatori).
Tra i principali fenomeni ondulatori che possiamo osservare in natura ci sono la riflessione, la rifrazione, l'interferenza e la diffrazione..
Sia la luce che il suono, così preziosi per i sensi, si comportano come onde e sperimentano tutti questi fenomeni, all'interno delle differenze esistenti nelle loro rispettive nature..
Ad esempio, la luce non ha bisogno di un mezzo materiale per propagarsi, mentre il suono sì. Inoltre, la luce è un'onda trasversale (il disturbo è perpendicolare alla direzione in cui viaggia l'onda), mentre il suono è un'onda longitudinale (il disturbo e lo spostamento sono paralleli)..
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Nonostante la loro diversa natura, tutte le onde hanno in comune i seguenti fenomeni ondulatori:
Quando le onde viaggiano a volte incontrano confini che separano un mezzo dall'altro, ad esempio un impulso che viaggia attraverso una corda saldamente attaccata a un'estremità..
Una volta che l'impulso raggiunge la fine della stringa, ritorna in gran parte, ma lo fa invertito. Si dice quindi che l'impulso subisce una riflessione, cioè viene riflesso al confine tra la corda e il supporto..
L'inversione dell'impulso è dovuta alla reazione esercitata dal supporto sulla corda, che per legge di azione e reazione ha la stessa direzione e grandezza, ma direzione opposta. Per questo motivo l'impulso viene invertito durante il viaggio di ritorno.
Un'altra possibilità è che la corda abbia una certa libertà all'estremità attaccata, ad esempio è legata a un anello che può scorrere su una barra. Quindi l'impulso inviato attraverso la stringa non ritorna invertito.
In generale, quando un'onda si propaga e raggiunge il confine che separa due diversi media, subisce un cambio di direzione. L'onda che arriva è nota come onda incidente, quella che viene restituita è l'onda riflessa e se una parte viene trasmessa all'altro mezzo, è nota come onda rifratta..
Il suono è un'onda, quindi provi la riflessione quando parli in una stanza vuota. La luce è anche un'onda e possiamo vederla riflettersi nello specchio, sulla calma superficie di uno stagno o nella finestra del grattacielo di figura 1.
Il fenomeno della rifrazione si verifica quando un'onda passa da un mezzo all'altro, ad esempio dall'aria all'acqua. Una parte dell'onda viene trasmessa al secondo mezzo: l'onda rifratta (vedi figura 2).
Quando cerchi di afferrare un oggetto sommerso sul fondo di una fontana o di un secchio, è molto probabile che non lo raggiungerai, anche se la mano è diretta verso il punto in cui si trova l'oggetto. E questo perché i raggi luminosi hanno cambiato direzione quando sono passati dall'aria all'acqua, cioè hanno subito la rifrazione..
Inoltre, la velocità con cui si muovono le onde varia a seconda del mezzo. Nel vuoto le onde luminose si muovono con velocità costante c = 300.000 km / s, ma in acqua la velocità scende a (3/4) ce nel vetro ancora di più: a (2/3) c.
La velocità della luce in un mezzo dipende dal suo indice di rifrazione, definito come il rapporto tra ce la velocità v che la luce ha nel mezzo:
n = c / v
Il fenomeno è analogo a una macchinina che rotola su un pavimento di ceramica o legno duro e lucidato e poi rotola improvvisamente su un tappeto. Non solo cambia direzione, ma rallenta.
Se l'onda incontra un mezzo diverso, può accadere che tutta l'energia che trasporta ceda e la sua ampiezza diventi zero. Si dice quindi che l'onda sia stata assorbita.
Due oggetti non condividono il loro spazio, tuttavia, due o più onde non hanno problemi a trovarsi nello stesso punto nello spazio allo stesso tempo. Questo comportamento è esclusivo per loro.
Succede ogni volta che due pietre vengono lanciate contemporaneamente in acqua, vengono prodotti modelli di onde indipendenti che possono sovrapporsi e dare un'onda risultante.
L'ampiezza dell'onda risultante può essere maggiore o minore di quella delle onde interferenti, oppure possono semplicemente annullarsi a vicenda. In loro il principio di sovrapposizione.
Per le onde, il principio di sovrapposizione afferma che l'onda risultante è uguale alla somma algebrica degli spostamenti delle onde interferenti (possono essere più di due).
Se le onde sono in fase, il che significa che le loro valli e creste sono allineate, si ottiene un'onda con il doppio dell'ampiezza. Questo è noto come interferenza costruttiva.
Al contrario, quando la cresta di un'onda si sovrappone alla valle di un'altra, si contrastano a vicenda e l'ampiezza dell'onda risultante diminuisce o diventa zero. Questo effetto è chiamato interferenza distruttiva.
Dopo aver interagito, le onde continuano per la loro strada come se nulla fosse accaduto.
Questo fenomeno è tipico delle onde; in essa l'onda viene deviata e distorta quando incontra un ostacolo nel percorso dell'onda o uno spazio nel mezzo. L'effetto è significativo quando la dimensione dell'ostacolo è paragonabile a quella della lunghezza d'onda.
Le onde seguono il principio di Huygens, che afferma che ogni punto nel mezzo si comporta a sua volta come un fuoco che emette onde. Poiché un mezzo ha un numero infinito di punti, sovrapponendoli tutti si ottiene il fronte d'onda.
Quando raggiunge un'apertura della dimensione della lunghezza d'onda, i fuochi sul fronte d'onda riescono a interferire tra loro e l'onda si deforma..
La diffrazione del suono è facile da apprezzare, poiché la sua lunghezza d'onda è paragonabile a quella degli oggetti che ci circondano, d'altra parte la lunghezza d'onda della luce è molto più bassa e di conseguenza la diffrazione richiede ostacoli molto piccoli..
Nell'immagine seguente abbiamo un fronte d'onda piatto, che si sposta verticalmente verso il basso per incontrare un'apertura in un muro.
A sinistra la lunghezza dell'onda incidente è molto inferiore alla dimensione dell'apertura e l'onda è appena deformata. Nella figura a destra, invece, la lunghezza d'onda è di grandezza paragonabile a quella dell'apertura e uscendo da essa l'onda curva sensibilmente.
-L'ascolto di musica e le conversazioni in un'altra stanza sono dovute alla diffrazione del suono quando incontra aperture come porte e finestre. Le basse frequenze sono migliori in questo rispetto alle alte frequenze, motivo per cui il tuono lontano rimbomba molto più forte del tuono vicino, che è percepito più come brevi boom.
-I miraggi sono dovuti a parti dell'aria che hanno indici di rifrazione diversi, a causa della densità irregolare.
Questo fa sembrare che il cielo e gli oggetti distanti si riflettano su una superficie liquida inesistente nel deserto o su un'autostrada calda. Le successive rifrazioni della luce negli strati irregolari dell'atmosfera sono ciò che crea questo effetto.
-Non è possibile vedere oggetti più piccoli della lunghezza d'onda della luce con cui sono illuminati. Ad esempio, i virus sono più piccoli delle lunghezze d'onda visibili, quindi non possono essere visti con un normale microscopio..
-La rifrazione ci permette di vedere il Sole poco prima che sorga (o tramonti). In quei momenti i raggi del sole influenzano obliquamente l'atmosfera e il cambiamento nell'ambiente è responsabile di piegarli e deviarli..
Ecco perché possiamo vedere la stella reale prima che sia davvero sopra l'orizzonte o continuare a vederla appena sopra l'orizzonte quando in realtà è già passata sotto.
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