▷ Onda meccanica: caratteristiche, formula, tipologie ed esempi

Questo articolo spiega cosa sono le onde meccaniche in fisica e quali sono le loro caratteristiche. Quindi troverai la definizione di onda meccanica, esempi di onde meccaniche, qual è l’equazione di un’onda meccanica e, inoltre, quali sono i diversi tipi di onde meccaniche.

Cos’è un’onda meccanica?

Un’onda meccanica è un tipo di onda che viaggia attraverso un mezzo materiale, ovvero le onde meccaniche sono le onde che viaggiano attraverso un mezzo materiale.

Le onde meccaniche provocano quindi una perturbazione temporanea del mezzo in cui si propagano, senza che questo venga trasportato.

Ad esempio, un’onda sonora è un’onda meccanica. Le onde sonore viaggiano attraverso l’aria. Pertanto, quando oscillano attraverso un mezzo materiale, si tratta di un’onda meccanica.

Una delle caratteristiche principali delle onde meccaniche è che trasportano energia. Infatti, l’energia trasportata da un’onda meccanica può essere catastrofica, come nel caso delle onde sismiche.

In fisica le onde meccaniche sono chiamate anche onde materiali perché necessitano di un mezzo materiale per propagarsi.

Esempi di onde meccaniche

Dopo aver visto la definizione di onda meccanica, vedremo ora alcuni esempi di questo tipo di onda per comprendere appieno il concetto.

Esempi di onde meccaniche:

Le onde sonore sono onde meccaniche.
Un’onda sismica è anche un’onda meccanica.
Le onde superficiali generate sulla superficie dell’acqua dall’impatto di un oggetto sono meccaniche.
Le onde che si propagano attraverso una molla sono onde meccaniche.

Caratteristiche di un’onda meccanica

Le onde meccaniche hanno le seguenti caratteristiche o parti:

Allungamento (y) : è la distanza tra la posizione dell’onda e la sua posizione di equilibrio.
Ampiezza (A) : è la distanza tra la massima estensione e la posizione di equilibrio.
Cresta : ciascuno dei punti più alti dell’onda.
Valle : ciascuno dei punti più bassi dell’onda.
Ciclo o oscillazione : è il percorso dell’onda da un punto al punto equivalente successivo.
Lunghezza d’onda (λ) : è la distanza che separa due punti consecutivi equivalenti dell’onda.
Periodo (T) : è il tempo necessario per compiere un’oscillazione completa.
Frequenza (f) : è il numero di oscillazioni o vibrazioni che l’onda compie nell’unità di tempo.

$f=\cfrac{1}{T}$

Frequenza angolare (o pulsazione) (ω) : è la velocità con cui l’onda compie oscillazioni.

$\omega=\cfrac{2\cdot \pi}{T}=2\cdot \pi \cdot f$

Velocità di propagazione (v) : è la velocità con cui si propaga l’onda.

$v=\cfrac{\lambda}{T}=\lambda\cdot f$

caratteristiche di un'onda meccanica, parti di un'onda meccanica

Formula di un’onda meccanica

La funzione matematica che permette di descrivere il movimento di un’onda meccanica è sempre la seguente:

$y=f(x\pm v\cdot t)$

Oro:

$y$

è l’allungamento dell’onda.
$x$

è la distanza dal punto studiato all’origine dell’onda.
$v$

è la velocità di propagazione delle onde.
$t$

è il momento del tempo.

Il segno davanti alla velocità di propagazione indica se l’onda meccanica si muove verso destra (segno negativo) o verso sinistra (segno positivo).

Se l’onda meccanica è un’onda armonica , l’equazione dell’onda meccanica è y(x,t) = A·sin(k·x ± ω·t + φ ₀ ). Questa formula viene utilizzata per calcolare l’allungamento di un punto sull’onda meccanica in una posizione specifica e in un momento specifico.

$y(x,t)=A\cdot \text{sin}(k\cdot x\pm w\cdot t+\phi_0)$

Oro:

$y$

è l’allungamento dell’onda.
$A$

è l’ampiezza dell’onda meccanica.
$x$

è la distanza dal punto studiato all’origine dell’onda.
$k$

è il numero d’onda, che si calcola con la seguente espressione:

$k=\cfrac{2\cdot \pi}{\lambda}$
$\omega$

è la frequenza angolare o di pulsazione.
$t$

è il momento del tempo.
$\phi_0$

è la fase iniziale dell’onda.

Tipi di onde meccaniche

I tipi di onde meccaniche sono:

Onda longitudinale : tipo di onda meccanica che oscilla nella stessa direzione di propagazione dell’onda.
Onda trasversale : tipo di onda meccanica che oscilla perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell’onda.

Onda longitudinale

Un’onda longitudinale è un’onda meccanica in cui il movimento oscillatorio delle particelle nel mezzo avviene nella stessa direzione di propagazione dell’onda. Cioè, le punte di un’onda longitudinale oscillano longitudinalmente.

Ad esempio, le onde sonore sono onde longitudinali, poiché in questo tipo di onde il movimento delle loro punte è parallelo alla propagazione dell’onda.

➤ Vedi: Caratteristiche di un’onda longitudinale

Onda trasversale

Un’onda trasversale è un’onda meccanica le cui oscillazioni sono perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda. Cioè, i punti di un’onda trasversale si muovono trasversalmente alla direzione di viaggio dell’onda.

Ad esempio, una corda attaccata ad un’estremità che oscilla è un’onda trasversale. Se fissiamo l’estremità di una corda e spostiamo verticalmente l’altra estremità, si generano vibrazioni perpendicolari alla direzione di viaggio dell’onda sulla corda, si tratta quindi di un’onda trasversale.

➤ Vedi: Caratteristiche di un’onda trasversale

Velocità di propagazione di un’onda meccanica

La velocità di propagazione è la velocità con cui l’onda meccanica si propaga nel mezzo. In generale, la velocità di un’onda meccanica viene calcolata utilizzando una formula che ha la seguente forma:

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{\text{propriété élastique}}{\text{propriété inertielle}}}$

Di seguito potete vedere la formula utilizzata per calcolare la velocità di propagazione di un’onda meccanica in alcuni casi particolari della fisica.

Velocità di propagazione di un’onda trasversale su una corda

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{T}{\mu}}$

Oro:

$T$

è la tensione della corda.
$\mu$

è la densità di massa lineare della corda.

Velocità di propagazione di un’onda longitudinale in un solido

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{E}{\rho}}$

Oro:

$E$

è il modulo di Young del solido.
$\rho$

è la densità del solido.

Velocità di propagazione di un’onda longitudinale in un gas (suono)

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{\gamma \cdot R\cdot T}{M}}$

Oro:

$\gamma$

è il coefficiente adiabatico del gas (nel caso dell’aria

$\gamma=1,4$

).
$T$

è la temperatura del gas espressa in Kelvin.
$R$

è il gas costante ideale,

$\displaystyle R=8.31 \ \frac{J}{mol\cdot K}$

.
$M$

è la massa molecolare del gas.