Un'onda sonora è un'onda meccanica longitudinale di una certa frequenza. Nell'articolo capiremo cosa sono le onde longitudinali e trasversali, perché non tutte le onde meccaniche sono sonore. Scopri la velocità dell'onda e le frequenze a cui si verifica il suono. Scopriamo se il suono è lo stesso in ambienti diversi e impariamo a trovarne la velocità usando la formula.
Appare l'onda
Immaginiamo una superficie d'acqua, ad esempio uno stagno con tempo calmo. Se lanci una pietra, sulla superficie dell'acqua vedremo dei cerchi divergenti dal centro. E cosa accadrà se non prendiamo una pietra, ma una palla e la mettiamo in moto oscillatorio? I cerchi saranno costantemente generati dalle vibrazioni della palla. Vedremo approssimativamente lo stesso mostrato nell'animazione del computer.
Se abbassiamo il galleggiante a una certa distanza dalla palla, anche questa oscillerà. Quando le fluttuazioni nello spazio divergono nel tempo, questo processo è chiamato onda.
Per studiare le proprietà del suono (lunghezza d'onda, velocità dell'onda, ecc.), è adatto il famoso giocattolo Rainbow, o Happy Rainbow.
Allunghiamo la molla, lasciamo che si calmi e scuotiamola su e giù bruscamente. Vedremo che è apparsa un'onda, che ha corso lungo la sorgente, e poi è tornata indietro. Ciò significa che viene riflesso dall'ostacolo. Abbiamo osservato come l'onda si è propagata lungo la primavera nel tempo. Le particelle della sorgente si muovevano su e giù rispetto al loro equilibrio e l'onda correva a destra ea sinistra. Tale onda è chiamata onda trasversale. In esso, la direzione della sua propagazione è perpendicolare alla direzione di oscillazione delle particelle. Nel nostro caso, il mezzo di propagazione delle onde era una molla.
Ora allunghiamo la molla, lasciamo che si calmi e tiriamo avanti e indietro. Vedremo che le spire della molla sono compresse lungo di essa. L'onda corre nella stessa direzione. In un punto la molla è più compressa, in un altro è più tesa. Tale onda è chiamata longitudinale. La direzione di oscillazione delle sue particelle coincide con la direzione di propagazione.
Immaginiamo un mezzo denso, per esempio un corpo rigido. Se lo deformiamo per taglio, sorgerà un'onda. Apparirà a causa delle forze elastiche che agiscono solo nei solidi. Queste forze svolgono il ruolo di ripristinare e generare un'onda elastica.
Non puoi deformare un liquido per taglio. Un'onda trasversale non può propagarsi in gas e liquidi. Un' altra cosa è longitudinale: si diffonde in tutti gli ambienti in cui agiscono le forze elastiche. In un'onda longitudinale, le particelle si avvicinano, poi si allontanano e il mezzo stesso viene compresso e rarefatto.
Molte persone pensano che siano liquidiincomprimibile, ma non è così. Se si preme lo stantuffo della siringa con acqua, si restringe leggermente. Nei gas è possibile anche la deformazione da compressione a trazione. Premendo lo stantuffo di una siringa vuota si comprime l'aria.
Velocità e lunghezza d'onda
Torniamo all'animazione che abbiamo considerato all'inizio dell'articolo. Scegliamo un punto arbitrario su uno dei cerchi divergenti dalla palla condizionale e lo seguiamo. Il punto si allontana dal centro. La velocità con cui si muove è la velocità della cresta dell'onda. Possiamo concludere: una delle caratteristiche dell'onda è la velocità dell'onda.
L'animazione mostra che le creste dell'onda si trovano alla stessa distanza. Questa è la lunghezza d'onda, un' altra delle sue caratteristiche. Più le onde sono frequenti, più corta è la loro lunghezza.
Perché non tutte le onde meccaniche suonano
Prendi un righello di alluminio.
È rimbalzante, quindi è buono per l'esperienza. Mettiamo il righello sul bordo del tavolo e lo premiamo con la mano in modo che sporga fortemente. Premiamo sul bordo e lo rilasciamo bruscamente: la parte libera inizierà a vibrare, ma non ci sarà alcun suono. Se estendi leggermente il righello, la vibrazione del lato corto creerà un suono.
Cosa mostra questa esperienza? Dimostra che il suono si verifica solo quando un corpo si muove abbastanza velocemente quando la velocità dell'onda nel mezzo è alta. Introduciamo un' altra caratteristica dell'onda: la frequenza. Questo valore mostra quante vibrazioni al secondo fa il corpo. Quando creiamo un'onda nell'aria, il suono si verifica in determinate condizioni, quando abbastanza alta frequenza.
È importante capire che il suono non è un'onda, sebbene sia legato alle onde meccaniche. Il suono è la sensazione che si verifica quando le onde sonore (acustiche) entrano nell'orecchio.
Torniamo al righello. Quando la parte più grande è estesa, il righello oscilla e non emette alcun suono. Questo crea un'onda? Certo, ma è un'onda meccanica, non un'onda sonora. Ora possiamo definire un'onda sonora. Questa è un'onda longitudinale meccanica, la cui frequenza è compresa tra 20 Hz e 20 mila Hz. Se la frequenza è inferiore a 20 Hz o superiore a 20 kHz, non la sentiremo, anche se si verificheranno delle vibrazioni.
Sorgente sonora
Qualsiasi corpo oscillante può essere fonte di onde acustiche, necessita solo di un mezzo elastico, ad esempio l'aria. Non solo un corpo solido può vibrare, ma anche un liquido e un gas. L'aria come miscela di più gas non può essere solo un mezzo di propagazione, ma è essa stessa in grado di generare un'onda acustica. Sono le sue vibrazioni che stanno alla base del suono degli strumenti a fiato. Il flauto o la tromba non vibra. È l'aria che, rarefatta e compressa, dà una certa velocità all'onda, per cui sentiamo il suono.
Diffusione del suono in ambienti diversi
Abbiamo scoperto che diverse sostanze suonano: liquide, solide, gassose. Lo stesso vale per la capacità di condurre un'onda acustica. Il suono si propaga in qualsiasi mezzo elastico (liquido, solido, gassoso), ad eccezione del vuoto. In uno spazio vuoto, diciamo sulla luna, non sentiremo il suono di un corpo vibrante.
La maggior parte dei suoni percepiti dagli esseri umani sono dispersi nell'aria. Pesci, meduse sentono un'onda acustica che diverge nell'acqua. Anche noi, se ci immergiamo sott'acqua, sentiremo il rumore di una barca a motore che passa. Inoltre, la lunghezza d'onda e la velocità dell'onda saranno superiori a quelle dell'aria. Ciò significa che il suono del motore sarà il primo ad essere sentito da una persona che si immerge sott'acqua. Il pescatore, che è seduto nella sua barca nello stesso posto, sentirà il rumore più tardi.
Nei solidi, il suono viaggia ancora meglio e la velocità dell'onda è maggiore. Se ti metti un oggetto duro, in particolare di metallo, all'orecchio e lo tocchi, sentirai molto bene. Un altro esempio è la tua stessa voce. Quando sentiamo per la prima volta il nostro discorso, precedentemente registrato su un registratore vocale o da un video, la voce sembra estranea. Perché sta succedendo? Perché nella vita non sentiamo tanto le vibrazioni sonore dalla nostra bocca quanto le vibrazioni delle onde che passano attraverso le ossa del nostro cranio. Il suono riflesso da questi ostacoli cambia leggermente.
Velocità del suono
La velocità di un'onda sonora, se consideriamo lo stesso suono, sarà diversa in ambienti diversi. Più denso è il mezzo, più velocemente il suono raggiunge il nostro orecchio. Il treno può andare così lontano da noi che il suono delle ruote non si sentirà ancora. Tuttavia, se metti l'orecchio sui binari, possiamo sentire chiaramente il rombo.
Questo suggerisce che le onde sonore viaggiano più velocemente nei solidi che nell'aria. La figura mostra la velocità del suono in diversi ambienti.
Equazione delle onde
Velocità, frequenza e lunghezza d'onda sono interconnesse. Per i corpi che vibrano ad alta frequenza, l'onda è più corta. I suoni a bassa frequenza possono essere ascoltati a una distanza maggiore perché hanno una lunghezza d'onda maggiore. Ci sono due equazioni d'onda. Illustrano l'interdipendenza delle caratteristiche delle onde l'una dall' altra. Conoscendo due quantità qualsiasi dalle equazioni, puoi calcolare la terza:
с=ν × λ, dove c è la velocità, ν è la frequenza, λ è la lunghezza d'onda.
Seconda equazione dell'onda acustica:
s=λ / T, dove T è il periodo, cioè il tempo durante il quale il corpo compie un'oscillazione.
