ONDE
Durante la propagazione di
un’onda
non c’è trasporto di materia,
ma propagazione di energia.
ONDE ELASTICHE
Un’onda elastica è una
perturbazione che si
propaga in un mezzo
senza movimento di
materia
Ogni punto del corpo
elastico oscilla intorno
alla sua posizione di
equilibrio con moto
periodico
ONDE SINUSOIDALI
Facendo oscillando con legge armonica l’estremo di
una corda tesa si produce un’onda sinusoidale
Nei 4 istanti di
tempo intervallati
da un periodo T,
l’onda si sposta di
una distanza pari
aλ
Velocità dell’onda
vel = λ/T = λ·ν
Frequenza dell’onda ν=1/T
A = ampiezza
ONDE
Durante la propagazione di un’onda non c’è trasporto
di materia, ma propagazione di energia
Si definisce intensità di un’onda l’energia che
attraversa nell’unità di tempo una superficie unitaria
posta normalmente alla direzione di propagazione
joule watt
=
2
2
m ⋅s
m
ONDE
Le onde possono essere:
longitudinali: la perturbazione è parallela
alla direzione di propagazione
dell’onda
trasversali:
la perturbazione è ortogonale
alla direzione di propagazione
dell’onda
ONDE SONORE
Qual è la grandezza fisica che oscillando produce
il suono?
Un’onda sonora consiste in oscillazioni della
pressione dell’aria (o di un altro mezzo elastico)
Il suono è un’onda longitudinale
Un’onda è udibile
dall’orecchio umano se la
sua frequenza è compresa
nell’intervallo
20 Hz – 20000 Hz
VELOCITA’ DEL SUONO (1)
Velocità di un’onda sonora
Mezzo
Aria secca (20oC)
Vapore (134oC)
Acqua distillata
Acqua di mare
Piombo
Rame
Alluminio
Acciaio
Velocità (m/s)
343
494
1486
1519
1190
3810
5000
5200
VELOCITA’ DEL SUONO (2)
(t=0o)[*]
Velocità del suono in aria
v ~ 330 m/s ~ 1200 Km/h = 1 M
Transonico
[*]superata nel 1947
NUMERO DI MACH
REGIME
FENOMENI FISICI
M<<1
Subsonico
L'aria si oppone al moto per attrito e genera forze
idrodinamiche di portanza che sorreggono gli aerei.
M~1
Transonico
Appaiono nuovi fenomeni idrodinamici, come il repentino
formarsi di nuvole di condensazione o il collasso del flusso.
1.2<M<3
Supersonico
I termini non lineari nell'equazione delle onde diventano
importanti e non si può più applicare il principio di
sovrapposizione. Nuove onde elastiche appaiono, con
proprietà differenti dalle onde sonore: le onde di shock.
3<M<5
Supersonico
elevato
Gli effetti termodinamici sulla compressione dell'aria
diventano rilevanti: il velivolo scambia calore con l'aria.
M>5
Ipersonico
L'elevata temperatura può modificare lo stato di aggregazione
dell'aria.
ONDE SONORE
Caratteristiche di un suono
Altezza:
dipende dalla frequenza fondamentale dell’onda
(acuto ⇒ alta frequenza, grave ⇒ bassa frequenza)
Timbro:
dipende dal numero di armoniche che compongono
l’onda e consente l’identificazione del suono
Intensità:
dipende dal quadrato dell’ampiezza della vibrazione
(debole ⇒ bassa intensità, forte ⇒ alta intensità)
ONDE SONORE
Un suono può essere percepito dall’orecchio umano
quando la sua intensità è maggiore di
I 0 = 10
−12
W
2
m
soglia di udibilità
Legge di Fechner:
le sensazioni fisiologiche prodotte da un’onda
acustica sono proporzionali al logaritmo dell’intensità
dell’onda per cui si usa la scala dei deciBell (dB)
Livello sonoro = 10 ⋅ log 10
I
dB
I0
ONDE SONORE
ULTRASUONI
Infrasuoni:
hanno frequenze inferiori a 20 Hz (ad esempio
le onde sismiche)
Ultrasuoni:
hanno frequenze superiori a 20 kHz e sono
largamente usati in diagnostica (ecografia) e
terapia (riscaldamento dei tessuti irradiati)
EFFETTO DOPPLER
Variazione della frequenza di un’onda dovuta al moto
relativo fra sorgente ed osservatore
Moto dell’osservatore
Se l’osservatore va
incontro (si allontana) con
una certa velocità, egli
raccoglie in 1 secondo un
numero di cicli maggiori
(minori) di quelli che
raccoglierebbe se si
trovasse in quiete
EFFETTO DOPPLER
Variazione della frequenza di un’onda dovuta al moto
relativo fra sorgente ed osservatore
Moto della sorgente
La sorgente emette i cicli
ad intervalli di tempo T,
ma si avvicina (si
allontana) all’osservatore
per cui egli percepisce
una frequenza maggiore
(minore)
EFFETTO DOPPLER
Indicando con ν0 la frequenza propria dell’onda, per
la frequenza percepita ν’, possiamo scrivere
uonda ± urivelatore
ν '=
ν0
uonda  u sorgente
dove uonda, urivelatore ed usorgente sono i rispettivi moduli
delle velocità dell’onda, del rivelatore e della
sorgente.
EFFETTO DOPPLER
Mediante l’effetto Doppler
è possibile controllare il
flusso ematico all’interno
di un vaso sanguigno non
invasivamente
Dalla variazione di
frequenza dell’eco
emessa dai globuli rossi
in movimento si ricava la
velocità di efflusso
ELETTRICITÀ
ELETTRICITÀ (1)
Le prime osservazioni sui fenomeni elettrici
risalgono ai greci: Talete di mileto (≈600 aC) con
l’osservazione che piccoli pezzetti di paglia vengono
attratti da un pezzo di ambra strofinato.
Il vetro strofinato con la seta respinge il vetro
strofinato con la seta.
Il caucciù strofinato con la pelle respinge il caucciù
strofinato con la pelle, ma attrae il vetro
strofinato con la seta.
ELETTRICITÀ
ELETTRICITÀ (2)
Riassumendo:
1. alcuni corpi (vetro, ambra, caucciù ...) se strofinati
acquistano una carica elettrica;
2. le cariche elettriche esercitano delle forze fra di
loro;
3. le cariche sul vetro e sul caucciù devono avere
natura diversa.
Benjamin Franklin (1706-1790):
in natura esistono due tipi di elettricità:
positiva e negativa.
ELETTRICITÀ
ELETTRICITÀ (3)
Cariche di segno opposto si attraggono e
cariche dello stesso segno si respingono.
CONDUTTORI ED ISOLANTI
I materiali non si comportano tutti nella stessa maniera
rispetto alla carica elettrica. Per esempio non è
possibile elettrizzare, per strofinio, una sbarretta di
Fe tenuta con la mano, mentre al contrario, se tale
sbarretta è tenuta con un pezzo di legno è possibile
elettrizzarla.
CONDUTTORI:
le cariche sono libere di muoversi
(metalli, soluzioni ioniche…)
ISOLANTI
0
DIELETTRICI
le cariche non sono libere di muoversi
(vetro, palstiche, legno…)
INDUZIONE ELETTROSTATICA
L'elettricità si produce anche per induzione, cioè
avvicinando un corpo elettrizzato ad un metallo
isolato.
vetro
supporto isolante
metallo
Se in
presenza del
vetro
elettrizzato si
divide il
metallo, si
ottengono due
corpi carichi.
ELETTROSCOPIO A FOGLIE
Utilizzando la mobilità delle cariche
elettriche depositate su di un
conduttore, è possibile costruire uno
strumento per misurare la carica
elettrica.
CARICHE ELETTRICHE (1)
Consideriamo due cariche elettriche puntiformi q1
e q2. Puntiforme significa che le dimensioni
fisiche dei due corpi che portano le cariche sono
trascurabili rispetto alla loro distanza e quindi
possono essere considerati dei punti.
La terra
(r=6400 Km) non
è puntiforme
rispetto a me
che ci cammino
sopra.
La terra è
puntiforme
rispetto alla
Via Lattea
(r=105 anniluce).
LEGGE DI COULOMB (1)
Per due cariche elettriche puntiformi Coulomb nel
1785 osservò sperimentalmente che:
1)
1
F∝ 2
r
2)
F ∝ q1q2
3) direzione
la congiungente le cariche
4) segni concordi
repulsiva
discordi
attrattiva
LEGGE DI COULOMB (2)
r
F =
−12
2
1
q1q2
2
4πε oε r r
2
ε o = 8.85 ⋅ 10 C /N ⋅ m costante dielettrica del vuoto
ε r = costante dielettrica del mezzo rispetto al vuoto
H2O εr ≈ 80
DISSOCIAZIONE ELETTROLITICA (1)
esempio : NaCl
in acqua
legame ionico
(forza di Coulomb)
Na+
I° : indebolimento del legame
qQ
1
Fc = 4π
π εoεr r2
εr (aria) ≈ 1
εr (acqua) ≈ 80
}
Cl–
Fc(acqua) ≈ 1 Fc(aria)
80
II° : rottura del legame
da urti per agitazione termica
dissociazione elettrolitica
DISSOCIAZIONE ELETTROLITICA (2)
–
III° : mancata ricombinazione
da polarità molecola H2O
+
Na
+
+ –
O– – H +
–
Cl
–
+
2
conduttori elettrolitici :acidi, basi, sali in H2O
forte
sostanze organiche
debole
dissociazione
forte legame covalente
}
esempio
NaCl
in H2O
100 molecole NaCl
dissociazione 84 %
84 Na+
84 Cl–
16 NaCl (non dissociate)
184 particelle
LEGGE DI COULOMB (3)
L’unita di misura della
carica elettrica nel S.I. è
il coulomb (C).
r
F =
1
q1q2
2
4πε oε r r
La carica elettrica di 1 C è quella carica che posta nel
vuoto ad 1 m di distanza da una carica elettrica
uguale la respinge con la forza di 9⋅109 N.
CARICHE ELETTRICHE (2)
La carica elettrica è quantizzata, cioè non è
possibile isolare cariche elettriche che siano
frazioni di una carica elementare e.
e = 1.6 ⋅ 10
-19
C
Qualsiasi carica elettrica è un numero n intero di
cariche elettroniche e con n=0,1,2,……
CARICHE ELETTRICHE (3)
Se si sommano, con i rispettivi segni, tutte le
cariche elettriche prima di un fenomeno, alla fine
dello stesso il numero totale di cariche elettriche
è rimasto invariato.
La conservazione
della carica
La conservazione
dell’energia