▷ Onda armonica

Questo articolo spiega cosa sono le onde armoniche in fisica e quali sono le loro caratteristiche. Troverai anche esempi di onde armoniche e qual è l’equazione di un’onda armonica. Inoltre, sarai in grado di vedere la relazione tra le onde armoniche e altri concetti fisici.

Cos’è un’onda armonica?

Le onde armoniche sono onde che oscillano continuamente e periodicamente, cioè il grafico di un’onda armonica si ripete ad ogni intervallo di tempo prefissato. Pertanto, un’onda armonica è definita da una funzione seno o coseno.

Ad esempio, l’onda generata dalla vibrazione di una corda è un’onda armonica, poiché la corda oscilla periodicamente in senso verticale. Inoltre, l’onda armonica generata può essere descritta da una funzione sinusoidale.

Caratteristiche delle onde armoniche

Le onde armoniche 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 oscilla l’onda.

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

Numero d’onda (k) : È definito come il numero di cicli effettuati su una lunghezza di 2π metri.

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

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

$v=\cfrac{\lambda}{T}=\cfrac{\omega}{k}$

caratteristiche di un'onda armonica, parti di un'onda armonica

Esempi di onde armoniche

Una volta vista la definizione di onda armonica e quali sono le sue caratteristiche, vedremo diversi esempi di questo tipo di onde per finire di assimilare il concetto.

Esempi di onde armoniche:

Le onde sonore sono onde armoniche.
L’onda prodotta quando una corda vibra.
Le onde che si formano sulla superficie di una pozzanghera quando viene lanciato un sasso.
Onde generate da semplici movimenti armonici .

Formula di un’onda armonica

L’equazione dell’onda armonica 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 armonica 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 armonica.
$x$

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

è il numero d’onda.
$\omega$

è la frequenza angolare o di pulsazione.
$t$

è il momento del tempo.
$\phi_0$

è la fase iniziale dell’onda.

Nota: tieni presente che esistono diversi modi per esprimere l’equazione di un’onda armonica, quindi può anche essere espressa tramite una funzione coseno. Tuttavia, l’espressione più utilizzata è la funzione spiegata in questo articolo.

Fase di un’onda armonica

La fase (o angolo di fase) di un’onda armonica è lo stato di vibrazione di un punto sull’onda. In poche parole, la fase di un’onda armonica indica dove si trova un punto specifico nel ciclo dell’onda.

La fase di un’onda è espressa in radianti (rad) o gradi (º). La differenza di fase tra due punti equivalenti è quindi 2π rad ovvero 360º.

Inoltre, la fase iniziale di un’onda determina in quale situazione si trova lo stato vibrazionale iniziale di un’onda. Pertanto, a seconda del valore della fase iniziale, il valore dell’allungamento iniziale dell’onda sarà l’uno o l’altro. Ad esempio, se definiamo un’onda armonica utilizzando una funzione sinusoidale e la fase iniziale è zero, ciò significa che l’allungamento dell’onda sarà y=0 all’inizio.

La fase delle onde armoniche viene utilizzata anche per confrontare lo stato vibrazionale di due diverse onde armoniche. Bisogna quindi conoscere due concetti legati alle fasi delle onde armoniche:

Due onde armoniche sono in fase quando hanno lo stesso stato vibrazionale, cioè hanno uno sfasamento di 0º (o 0 rad). In questo caso i punti equivalenti delle due onde si verificano contemporaneamente, ad esempio le creste e le valli delle onde si verificano contemporaneamente.
Due onde armoniche sono in controfase quando il loro stato vibrazionale è opposto, sono quindi sfasate di 180º (o π rad). Ad esempio, se due onde armoniche sono in antifase, le creste di un’onda si verificheranno quando si verificano le valli dell’altra onda.

Onda armonica e onda stazionaria

Infine, vedremo qual è la differenza tra un’onda armonica e un’onda stazionaria, poiché sono due tipi di onde spesso confuse in fisica.

Un’onda stazionaria è un disturbo oscillatorio i cui picchi oscillano verticalmente ma non avanzano longitudinalmente. Inoltre, le onde stazionarie sono il risultato dell’interferenza tra due onde aventi le stesse caratteristiche ma che avanzano in direzione opposta, cioè le onde stazionarie si producono quando due onde armoniche simili ma con una direzione di propagazione opposta si sovrappongono.

Pertanto, la differenza principale tra un’onda armonica e un’onda stazionaria è che un’onda armonica si propaga longitudinalmente, mentre un’onda stazionaria oscilla verticalmente ma non avanza longitudinalmente. Inoltre, le onde stazionarie sono formate dalla sovrapposizione di due onde armoniche.

➤ Vedi: Cos’è un’onda stazionaria?