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Caratteristiche del suono

I suoni si distinguono tra loro per tre caratteristiche: l’intensità, l’altezza e il timbro.

L’intensità dipende dall’ampiezza dell’onda sonora e distingue i suoni forti dai suoni deboli.L’intensità del suono quindi è la potenza con cui esso viene emesso; essa è proporzionale all’energia impiegata dalla sorgente che lo produce e, di conseguenza, all’energia con la quale vibrano le molecole del mezzo in cui l’onda sonora si propaga. L’intensità diminuisce all’aumentare della distanza fra la sorgente sonora e chi ascolta.

L’unità di misura dell’intensità sonora è il decibel (dB). Suoni d’intensità troppo elevata (oltre i 120 dB), oltre a non essere distinguibili con chiarezza causano danni permanenti all’apparato uditivo.

L’altezza di un suono dipende dalla frequenza dell’onda sonora e distingue i suoni gravi da quelli acuti.

La frequenza è il numero di vibrazioni prodotte in un secondo.

I suoni acuti sono emessi da corpi che vibrano velocemente, producendo onde ad alta frequenza; i suoni gravi da corpi che vibrano lentamente, producendo onde a bassa frequenza.

L’orecchio umano percepisce onde sonore di frequenza compresa tra i 20 e 16 000 Hz. Le frequenze al di sotto dei 16 Hz sono dette infrasuoni, quelle al di sopra dei 16 000 Hz sono dette ultrasuoni.

Ci sono alcuni animali che percepiscono infrasuoni o ultrasuoni come i gatti e i cani.

Il timbro è la qualità che distingue i suoni emessi da sorgenti diverse, anche se essi hanno la stessa intensità e la stessa altezza.E’ il caso di una stessa nota musicale suonata da due strumenti differenti, o cantata da più voci in un coro.

La ragione di ciò è che in un’onda sonora alla vibrazione principale, detta fondamentale, si aggiungono altre vibrazioni secondarie, di frequenze più elevate, dette armoniche, che danno all’onda sonora il suo aspetto caratteristico.

L’unica sorgente sonora in grado di ottenere un suono puro, senza armoniche, è il diapason.

Un rumore si ottiene se un suono è determinato da un’onda sonora particolarmente disordinata, cioè in cui frequenza, intensità e timbro non presentano una sufficiente regolarità e costanza. Quindi il rumore rispetto al suono è prodotto da una vibrazione irregolare.

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Il suono

La parte della fisica che si occupa di studiare la produzione, la propagazione e le proprietà dei suoni si chiama acustica.

Il suono è il prodotto della vibrazione di un corpo elastico, denominato sorgente sonora, in un mezzo.

Ogni vibrazione genera una compressione delle molecole, seguita da un’espansione, che si trasmettono entrambe alle altre molecole d’aria: nasce così l’onda sonora.

Il suono prodotto dalla sorgente sonora si propaga nell’aria grazie alle onde sonore, cioè alla compressione e all’espansione delle molecole d’aria, e arriva così al nostro orecchio.

Le onde sonore sono onde longitudinali, cioè onde nelle quali il movimento delle molecole d’aria avviene nella stessa direzione di propagazione delle onde. Poichè il corpo in vibrazione trasmette il movimento a tutte le molecole circostanti nell’aria, se non ci sono ostacoli i suoni si propagano come onde sferiche concentriche.

A mano a mano che si allontana dalla sorgente sonora, il suono diminuisce la sua intensità perchè l’energia di vibrazione delle molecole si distribuisce su strati d’aria sempre più ampi e in parte si trasforma in calore. Quando tutta l’energia di vibrazione delle molecole d’aria si è trasformata in calore e si è dispersa nell’ambiente, il suono cessa.

Per ottenere un suono, c’è sempre bisogno di un mezzo nel quale le vibrazioni si possono trasmettere.

Il suono si trasmette con maggiore velocità nei mezzi più densi: la velocità del suono è quindi maggiore nei solidi, inferiore nei liquidi e meno ancora negli aeriformi. Nel vuoto, dove non ci sono molecole che possono oscillare, il suono non viene trasmesso.

Se mettiamo sotto una campana di vetro una sveglia. Fino a che nella campana c’è dell’aria la suoneria della sveglia si sente perfettamente, ma se tutta l’aria viene aspirata dalla campana di vetro con una pompa, la suoneria non si sente più.

Ovviamente la percezione di un suono è possibile se c’è un recettore meccanico, cioè un dispositivo che a sua volta vibri quando è investito da un’onda sonora. Il nostro orecchio è un recettore meccanico, infatti la sua forma particolare permette di catturare i suoni. Una volta che il padiglione auricolare ha catturato i suoni li dirige verso il timpano, una membrana elastica che inizia a oscillare quando è colpita da un suono. Poichè la principale funzione dei suoni è quella di trasmettere i messaggi per comunicare, le vibrazioni devono essere poi trasformate in informazioni, essere interpretate. Occorre quindi una specie di trasformatore, di traduttore. Nel nostro orecchio è la coclea che svolge questa funzione, cioè trasforma le vibrazioni del timpano in segnali elettrici nervosi interpretabili dal cervello.

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Riflessione, rifrazione, interferenza

Quando l’onda viaggia in un mezzo qualsiasi può capitare che incontri un ostacolo. In questo caso può dar luogo a due fenomeni diversi: la riflessione o la rifrazione.

La riflessione è il fenomeno dell’onda che ritorna indietro quando incontra un ostacolo e si chiamerà onda riflessa.

Tutte le onde si comportano in questo modo.

Quando per esempio l’onda che avanza su una corda, che chiameremo onda incidente, incontra un ostacolo come la maniglia della porta, l’ostacolo rimanda indietro l’impulso; il risultato è un’onda capovolta che ripercorre la corda in direzione contraria a quella incidente.

Se l’onda sonora incontra un ostacolo esteso, come una parete rocciosa o un grande muro, rimbalzano, tornano indietro e possono portare il suono verso la sua sorgente. Il risultato di ciò è l‘eco.

Se l’ostacolo, quindi il muro o la parete rocciosa si trova a una distanza inferiore a 17 metri , l’orecchio non può percepire il suono emesso e l’eco distinti fra loro, ma ode un suono confuso, in cui il suono emesso e quello riflesso si mescolano, che prende il nome di rimbombo.

La rifrazione si ha quando l’onda che incontra un altro mezzo si propaga anche su quest’ultimo. L’onda che si forma viene chiamata onda rifratta.

Essa si verifica quando l’onda invece di tornare indietro può anche avanzare. L’onda rifratta ha sempre la stessa forma dell’onda incidente, ma può essere più o meno veloce dell’onda incidente a seconda della densità dei due mezzi. Per esempio l’onda aumenta velocità se passa da una corda più spessa a una meno spessa e viceversa.

Se due onde , emesse nello stesso mezzo e nello stesso tempo da due sorgenti diverse, hanno direzioni diverse, esse si propagano indipendentemente, senza disturbarsi. Quando invece hanno la stessa direzione , esse si sovrappongono influenzandosi a vicenda e dando origine al fenomeno dell’interferenza.

Durante l’interferenza le onde possono rinforzarsi dando all’onda risultante un’intensità maggiore della somma delle intensità delle onde che si incontrano o possono anche estinguersi.

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L’ onda e la sua misurazione

Le onde possono essere trasversali cioè quando le particelle del mezzo si muovono in direzione perpendicolare alla direzione nella quale si propaga l’onda.

Un esempio di onda trasversale lo si ha quando si prende una corda, a cui si lega un fiocchetto rosso, e la si lega ad una estremità, all’altra estremità gli imprimiamo una forza che formerà un’onda. Noteremo che il fiocchetto si muoverà dall’alto verso il basso, mentre l’onda si propaga in orizzontale.

onda-trasversale

onda trasversale

Il secondo tipo di onde sono quelle longitudinali dove le particelle del mezzo si muovono nella stessa direzione nella quale si propaga l’onda.

Un esempio di onda longitudinale è quello di una molla fissata ad una estremità, tiriamo la molla verso di noi fino ad una certa distanza dal punto fisso, poi comprimiamo la molla e riportiamo la mano al punto di partenza. Se leghiamo un fiocchetto ad un punto della molla vediamo che i suoi spostamenti avvengono in orizzontale, cioè nella stessa direzione della propagazione dell’onda.

onda-longitudinale

onda longitudinale

Con un movimento ritmico di oscillazione su e giù su una corda è possibile generare una successione continua di onde che sono chiamate onde periodiche .

Dove il periodo delle onde indica il tempo necessario per il passaggio completo di un’onda , cioè per compiere un’oscillazione completa, e si misura in secondi.

Questo moto oscillatorio viene rappresentato graficamente con una curva detta sinusoide, le cui parti più alte vengono dette creste e quelle più basse ventri.

Le onde periodiche si distinguono tra loro per la frequenza, lunghezza ed ampiezza.

ampiezza

sinusoide

 

La frequenza è il numero di oscillazioni che l’onda compie in un secondo. Quando si parla di alta frequenza ci si riferisce a onde prodotte da corpi che oscillano velocemente , mentre al contrario si parla di bassa frequenza quando ci si riferisce a corpi che oscillano lentamente. La frequenza si misura con l’hertz (Hz).1 1 Hertz è la frequenza di un’onda che compie un’oscillazione completa in 1 secondo.

La lunghezza d’onda (lambda)è la distanza tra due creste o tra due ventri consecutivi.

La distanza tra il punto più alto della cresta e la posizione di equilibrio costituisce l’ampiezza di un’onda: più ampie sono le oscillazioni, maggiore è questa grandezza.

La velocità di propagazione di un’onda è data dal prodotto della sula lunghezza d’onda per la frequenza.

v = λ • f

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Il moto delle onde

Un’onda è una perturbazione che si propaga in un mezzo dovuta a un trasporto di energia, ma non di materia.

Se per esempio prendiamo una corda e con la mano le diamo un impulso, vediamo che si forma un’onda che avanza sulla corda stessa, ma che ovviamente non fa spostare la corda. Una volta che si è formata l’onda, questa si allontana dalla nostra mano, fino ad una certa distanza, poi scompare.

Il mezzo in questo caso è la corda, ma non tutte le onde hanno bisogno di un mezzo per propagarsi (le onde luminose).

Per capire le onde e come si propagano, facciamo un altro esempio, prendiamo un tappo di sughero e poniamolo in una bacinella piena di acqua; agitiamo l’acqua e notiamo che si formano delle onde, il tappo di sughero si muove su e giù, le onde quindi avranno l’energia per sollevarlo ma non per farlo avanzare. In definitiva possiamo dire che l’onda non trasporta con se il sughero in quanto non spinge in avanti le molecole di acqua. Quindi le onde spostano energia e non materia.

Se lanciamo un sasso nell’acqua l’energia del sasso si trasforma in vibrazione per le molecole d’acqua che vengono colpite. Tali molecole tentano di spostarsi in avanti ma non possono perchè incontrano l’ostacolo delle molecole vicine e poi vengono richiamate dalla forza di coesione delle altre molecole.

Tutto ciò porta all’oscillazione delle molecole di acqua, cioè si muovono in due direzioni opposte senza poter avanzare; così facendo trasmettono energia cinetica alle molecole vicine che iniziano anch’esse ad oscillare, fino a quando l’energia delle onde non finisce.

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Il secondo principio della termodinamica

Il secondo principio della termodinamica , enunciato dal fisico francese Carnot, afferma che: non è possibile trasformare completamente il calore in lavoro, cioè l’energia termica in energia meccanica perchè parte del calore viene sempre disperso nell’ambiente e per questo risulta inutilizzabile.

A questa conclusione ci arrivarono prima i costruttori delle macchine a vapore, essi compresero che parte del calore veniva sempre disperso nell’ambiente, che si trovava ad una temperatura inferiore a quella del vapore, e proprio per questo motivo non poteva essere recuperato.

Quindi come l’acqua di un fiume che quando arriva all’altezza più bassa , non è in grado di compiere un lavoro, così quando il calore viene disperso nell’ambiente non è più riutilizzabile.

Partendo da questo principio, le forme di energia vengono suddivise in due tipi:

  • forme di energia nobili, cioè quelle che si possono riconvertire totalmente in altre forme come l’energia chimica;
  • forme di energia meno nobili, cioè quelle che non si possono riconvertire totalmente nelle altre forme, come il calore.

La tendenza delle forme di energia nobili a trasformarsi in calore si chiama entropia. Quindi l’entropia è la tendenza che ha l’energia a degradarsi.

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Il primo principio della termodinamica

L’energia può trasformarsi da una forma all’altra, a ciò vi erano arrivati anche nell’antichità. Ma gli scienziati all’epoca credevano che l’energia si potesse consumare fino a sparire. Tutto cambiò con lo sviluppo della termodinamica, la scienza che studia la trasformazione del calore in lavoro e viceversa. Da questi studi si capì anche che il calore era una forma di energia.

Con un semplice esperimento si può capire come arrivarono ad enunciare il primo principio della termodinamica che afferma: l’energia non si può nè creare, nè distruggere, ma solo trasformare da una forma all’altra.

Per capire ciò consideriamo un pendolo e immaginiamo una persona che lo porti ad una certa altezza, prima di lasciarlo andare. Per fare ciò la persona ha compiuto un lavoro sul pendolo che ha acquistato energia potenziale (di posizione). Lasciando il pendolo, questo si mette in movimento e l’energia potenziale si trasforma in energia cinetica, che raggiungerà il valore più alto nel punto di minima altezza e massima velocità. Quando il pendolo ricomincia la risalita la sua velocità diminuisce e la sua energia cinetica si ritrasforma in energia potenziale. Ovviamente l’altezza raggiunta sarà leggermente inferiore rispetto a quella iniziale. Il pendolo continuerà così finchè non si fermerà. Esso non si muoverà più per effetto della forza d’attrito del perno su cui è montato il pendolo e a causa della resistenza dell’aria. L’effetto di queste due forze produce calore, che riscalda il pendolo, il perno e l’aria circostante.

In definitiva, in ogni istante parte dell’energia si trasforma in calore, se non ci fosse stata questa trasformazione di parte dell’energia in calore, il pendolo avrebbe continuato a muoversi all’infinito.

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L’energia e le sue forme

L’energia è la capacità di un corpo a compiere lavoro. Essa come il lavoro si misura in Joule.

L’energia può presentarsi sotto forme diverse. L’energia immagazzinata da un corpo si chiama energia potenziale, perchè i sistemi che la posseggono possono usarla per compiere un lavoro oppure lasciarla come tale.

L’acqua contenuta in una diga posta ad una certa altezza, contiene energia potenziale che si sprigionerà una volta aperta la diga. Ovviamente maggiore è l’altezza in cui si trova la diga e maggiore sarà l’energia potenziale.

Tale energia, quindi, dipende dall’altezza alla quale il corpo si trova rispetto al suolo, quanto più è in alto, tanto è maggiore la sua energia potenziale gravitazionale.

Anche l’energia elastica è un’energia potenziale, infatti per esempio le molle, quando vengono deformate acquistano energia elastica che possono utilizzare quando cessa la deformazione compiendo un lavoro.

Anche l’energia chimica contenuta nei legami chimici è una forma di energia potenziale.

Altri tipi di energia sono legati al movimento, in questo caso si parla di energia cinetica. Per esempio se tendiamo un arco per scoccare una freccia, si compie un lavoro creando tanta energia potenziale, appena lasciamo la corda, l’arco cede energia alla freccia sotto forma di energia cinetica, quindi movimento.

Praticamente l’energia potenziale può trasformarsi in energia cinetica.

L’energia cinetica è tanto più grande quanto maggiore è la massa del corpo in movimento e quanto è più veloce il suo moto.

La somma delle energie cinetiche di tutte le molecole corrisponde all’energia termica.

Infatti l’energia termica è l’energia cinetica posseduta dalle particelle che compongono un corpo. Infatti quando la temperatura di un corpo aumenta, le particelle che lo compongono si muovono più velocemente, quindi acquistano maggiore energia cinetica.

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La spinta aerostatica

I liquidi e i gas insieme vengono chiamati fluidi. La spinta di Archimede viene esercitata su tutti i fluidi, quindi anche sull’aria, però in questo caso prende il nome di spinta aerostatica.

Il principio di Archimede in questo caso afferma che: un corpo immerso in un gas riceve una spinta verso l’alto pari al peso del volume del gas spostato.

Tale spinta ci permette di spiegare perchè alcuni palloncini volano mentre altri no.

I palloncini pieni di gas sono soggetti a due forze opposte e cioè la forza peso che è diretta verso il basso e alla spinta aerostatica che invece è diretta verso l’alto. Se il palloncino è riempito con un gas più leggero dell’aria, come l’elio, la sua forza peso è inferiore alla spinta, per cui galleggerà nell’aria fino ad una certa altezza, perchè più si va in alto e più l’aria diventa più rarefatta fino a raggiungere il punto in cui il peso dell’aria spostata è uguale al peso del palloncino.

Se il palloncino è pieno di un gas più pesante come quello presente nei nostri polmoni che è ricco di anidride carbonica, il suo peso sarà superiore alla spinta, quindi non galleggerà nell’aria.

Proprio sulla spinta aerostatica si basa il principio grazie al quale le mongolfiere volano. Tutto ciò perchè il pallone della mongolfiera è ricco di elio, idrogeno o aria caldo, cioè tutti gas con un peso inferiore all’aria. Quindi spostando grandi masse d’aria, ricevono grandi spinte verso l’alto.

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Il principio di Archimede

Se lanciamo nell’acqua un pezzo di legno o una pallina di plastica vediamo che questi corpi galleggiano.

Proprio questo fenomeno fu studiato da Archimede, uno scienziati vissuto più di 2000 anni fa, che arrivò ad enunciare la spinta idrostatica, anche detto principio di Archimede, esso afferma che: un corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del volume del liquido spostato.

Tale spinta idrostatica non fa che opporsi alla forza gravitazionale della Terra che al contrario spinge i corpi verso il basso. Quindi queste due forze hanno la stessa direzione, ma verso opposto.

Tutto ciò lo possiamo vedere dall’esperienza di tutti i giorni, infatti, se prendiamo un sasso e lo solleviamo, facciamo un certo sforzo; se lo stesso sasso, cerchiamo di sollevarlo nell’acqua, ci rendiamo conto che dobbiamo fare uno sforzo minore. Questo perchè c’è una forza ulteriore che ci aiuta a spingerlo verso l’alto che è la spinta di Archimede.

Però dobbiamo considerare che le cose cambiano se siamo noi ad immergerci nell’acqua, infatti, non succederà la stessa cosa che accade per il pezzo di legno . Noi riceviamo una spinta che non è sufficiente a farci galleggiare, la nostra forza peso è annullata solo in parte. Il risultato però è che se camminiamo nell’acqua avvertiamo la sensazione che il nostro peso sia diminuito.

Anche se prendiamo una pallina di ferro, notiamo che questa affonda, quindi il motivo per cui alcuni corpi affondano ed altri galleggiano è il peso specifico cioè il rapporto tra il suo peso e il volume.

Ciò vorrà dire che la pallina di plastica e il pezzetto di legno avranno un peso specifico inferiore a quello dell’acqua e quindi galleggiano. Il corpo umano ha un peso specifico leggermente superiore, quindi per galleggiare dobbiamo nuotare. Infine la pallina di ferro ha un peso specifico di molto superiore, quindi affonderà.

Per far galleggiare il ferro basta immergerlo in un liquido che abbia un peso specifico superiore a quello del ferro, per esempio il mercurio.

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