Onde e suoni
Elementi di acustica
Come abbiamo detto nella precedente sezione, la luce è un'onda elettromagnetica che si propaga nel vuoto a una velocità pari a 300 000 km / s. In questa sezione considereremo un altro tipo di onde con le quali abbiamo a che fare tutti i giorni: le onde sonore.
Per poter generare delle onde sonore abbiamo bisogno di una sorgente sonora, ossia di un sistema che vibra. Un esempio è costituito dalle membrane delle casse dello stereo. Quando le membrane delle casse vibrano, mettono in vibrazione le molecole dell'aria creando zone di compressione e di rarefazione ed è tramite queste vibrazioni che il suono si propaga. Siccome i volumi d'aria, interessati alla vibrazione, oscillano nella stessa direzione di propagazione del suono, possiamo dire che il suono è un'onda longitudinale. Altre possibili sorgenti sonore sono: le corde vocali, le corde della chitarra, la membrana di un tamburo, gli altoparlanti, le campane ecc. In tutti questi casi il suono, prodotto a una certa frequenza dalla sorgente, attraverso l'aria arriva fino alle nostre orecchie.
La velocità del suono dipende fortemente dal mezzo nel quale il suono si propaga: ad esempio, nell'aria la velocità di propagazione del suono a temperatura ambiente è pari a 340 m / s. È importante sottolineare però che il suono ha sempre bisogno di un mezzo materiale nel quale propagarsi. Se mettiamo una sveglia in una campana di vetro e all'interno della campana creiamo il vuoto, non riusciremo in alcun modo ad ascoltare il suono della sveglia rimanendo all'esterno della campana: a differenza della luce, il suono non si propaga nel vuoto.
In certi mezzi materiali il suono si propaga con estrema difficoltà: parliamo in questi casi di isolanti acustici. Viceversa, nei metalli il suono si propaga molto più velocemente che nell'aria: la velocità del suono nell'acciaio è pari a 5500 m / s: questo è il motivo per cui nei vecchi film western gli attori appoggiano l'orecchio alla rotaia del treno per capire quando il treno sta arrivando.
Il suono è caratterizzato da tre proprietà fondamentali: l'altezza, l'intensità e il timbro. L'altezza di un suono è determinata dalla frequenza dell'onda sonora che a sua volta coincide con la frequenza di vibrazione della sorgente. Le frequenze che l'uomo riesce a udire sono comprese tra i 20 Hz (suoni gravi o bassi) e i 18 000 Hz (suoni acuti o alti). L'intensità di un suono aumenta all'aumentare dell'ampiezza dell'onda ed è legata alla quantità di energia che arriva all'orecchio. Un suono è percepito come forte se arriva tanta energia all'orecchio, è debole se la quantità di energia che arriva è piccola. L'intensità di un suono decresce con il quadrato della distanza. Questo significa che se raddoppiamo la distanza dalla sorgente il suono viene percepito dall'orecchio come quattro volte meno intenso. Infine, il timbro di un suono è legato alla forma diversa che un'onda sonora può avere, a parità di frequenza. Il timbro ci permette ad esempio di distinguere se un suono di assegnata frequenza e intensità è stato emesso da un pianoforte o da un violoncello. Solo il diapason infatti emette un'onda armonica. Tutti gli altri strumenti emettono invece onde periodiche più complesse, ognuna caratterizzata dalla propria forma.
Molti strumenti, come ad esempio i violini o le chitarre, possiedono una cassa, detta cassa armonica o di risonanza. Come abbiamo visto, ogni corda, vibrando, produce una sua frequenza d'onda. La cassa viene progettata in modo tale da vibrare, assieme all'aria in essa contenuta, alla stessa frequenza generata dalla corda. In questo modo l'ampiezza e l'intensità del suono risultano di gran lunga rafforzate. Questa è una proprietà generale delle onde, detta risonanza. È lo stesso fenomeno per cui se abbiamo un'altalena che oscilla a una certa frequenza, possiamo aumentare l'ampiezza dell'oscillazione imprimendo all'altalena anche delle piccole spinte, purché sincronizzate con il moto dell'altalena. Il fenomeno della risonanza può giocare un ruolo importante nel produrre danni rilevanti a ponti o carreggiate in caso di terremoti. Le onde sismiche infatti hanno una loro frequenza che può entrare in risonanza con le oscillazioni caratteristiche dei ponti o delle carreggiate amplificandole fino al punto da poter indurre dei crolli nella loro struttura.
