ONDE LONGITUDINALI: CARATTERISTICHE, DIFFERENZE, ESEMPI - FISICO - 2025

Le onde longitudinali si manifestano in mezzi materiali in cui le particelle oscillano parallelamente alla direzione in cui viaggia l'onda. come si vedrà nelle immagini seguenti. Questa è la sua caratteristica distintiva.

Le onde sonore, certe onde che compaiono durante un terremoto e quelle che si producono in uno slinky o in una molla quando riceve un piccolo impulso nella stessa direzione del suo asse, sono buoni esempi di questa classe di onde.

Figura 1. Il suono è un'onda longitudinale che produce compressioni ed espansioni successive nell'aria. Fonte: Wikimedia Commons. Pluke

Il suono viene prodotto quando un oggetto (come il diapason della figura, uno strumento musicale o semplicemente le corde vocali) viene fatto vibrare in un mezzo capace di trasmettere il disturbo attraverso la vibrazione delle sue molecole. L'aria è un mezzo adatto, ma anche liquidi e solidi lo sono.

Il disturbo modifica ripetutamente la pressione e la densità del mezzo. In questo modo, l'onda produce compressioni ed espansioni (rarefazioni) nelle molecole del mezzo, poiché l'energia si muove ad una certa velocità v .

Questi cambiamenti di pressione sono percepiti dall'orecchio attraverso le vibrazioni nel timpano, che la rete nervosa è responsabile della trasformazione in minuscole correnti elettriche. Una volta raggiunto il cervello, li interpreta come suoni.

In un'onda longitudinale il modello che si ripete continuamente è chiamato ciclo e la sua durata è il periodo dell'onda. C'è anche l'ampiezza, che è l'intensità massima e che si misura in base alla grandezza che si prende come riferimento, nel caso del suono può essere la variazione della pressione nel mezzo.

Un altro parametro importante è la lunghezza d'onda: la distanza tra due successive compressioni o espansioni, vedi figura 1. Nel Sistema Internazionale la lunghezza d'onda è misurata in metri. Infine c'è la sua velocità (in metri / secondo per il Sistema Internazionale), che indica quanto velocemente si propaga l'energia.

Come appaiono le onde longitudinali nelle onde dell'oceano?

In un corpo acquatico, le onde sono prodotte da molteplici cause (variazioni di pressione, venti, interazioni gravitazionali con altre stelle). In questo modo le onde marine possono essere classificate in:

- Onde del vento

- Maree

- Tsunami

La descrizione di queste onde è piuttosto complessa. In linea generale, in acque profonde le onde si muovono longitudinalmente, producendo periodiche compressioni ed espansioni del mezzo, come descritto all'inizio.

Tuttavia, sulla superficie del mare le cose sono un po 'diverse, poiché ci sono le cosiddette onde di superficie predominanti, che combinano le caratteristiche delle onde longitudinali e delle onde trasversali. Pertanto, le onde che si muovono nelle profondità dell'ambiente acquatico differiscono notevolmente da quelle che si muovono in superficie.

Un tronco che galleggia sulla superficie del mare ha una sorta di movimento alternativo o dolcemente rotante. Infatti, quando le onde si infrangono sulla riva, sono le componenti longitudinali dell'onda che predominano, e poiché il tronco risponde al movimento delle molecole d'acqua che lo circondano, si osserva anche andare e venire in superficie.

Figura 2. Le onde del mare sulla superficie sono onde che hanno in parte caratteristiche di onda longitudinale e in parte trasversali. Fonte: Fonte: Vargklo su en.wikipedia

Relazione tra profondità e lunghezza d'onda

I fattori che determinano il tipo di onda che si produce sono: la profondità dell'acqua e la lunghezza d'onda dell'onda del mare. Se la profondità dell'acqua in un dato punto si chiama d e la lunghezza d'onda è λ, le onde passano da longitudinali a superficiali quando:

In superficie, le molecole d'acqua acquisiscono movimenti rotazionali che perdono all'aumentare della profondità. L'attrito della massa d'acqua con il fondo fa sì che queste orbite diventino ellittiche, come mostrato in figura 2.

Sulle spiagge le acque vicino alla riva sono più irrequiete perché lì le onde si infrangono, le particelle d'acqua vengono rallentate sul fondo e questo fa sì che più acqua si accumuli sui crinali. Nelle acque più profonde, invece, si percepisce come le onde si ammorbidiscano.

Quando d >> λ / 2 abbiamo onde di acque profonde o onde corte, le orbite circolari o ellittiche diminuiscono di dimensione e predominano le onde longitudinali. E se d << λ / 2 le onde provengono da acque superficiali o onde lunghe.

Differenze con le onde di taglio

Sia le onde longitudinali che quelle trasversali rientrano nella categoria delle onde meccaniche, che richiedono un mezzo materiale per la loro propagazione.

La principale distinzione fatta tra i due è stata menzionata all'inizio: nelle onde trasversali le particelle del mezzo si muovono perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda, mentre nelle onde longitudinali oscillano nella stessa direzione seguita dal disturbo. Ma ci sono caratteristiche più distintive:

Più differenze tra onde trasversali e longitudinali

- In un'onda trasversale si distinguono creste e valli, che in quelle longitudinali equivalgono a compressioni ed espansioni.

- Un'altra differenza è che le onde longitudinali non sono polarizzate perché la direzione della velocità dell'onda è la stessa di quella del movimento delle particelle oscillanti.

- Le onde trasversali possono propagarsi in qualsiasi mezzo e anche nel vuoto, come le onde elettromagnetiche. D'altra parte, all'interno dei fluidi, privi di rigidità, le particelle non hanno altra scelta che scivolare l'una sull'altra e muoversi come fa il disturbo, cioè longitudinalmente.

Di conseguenza, le onde originate nel mezzo delle masse oceaniche e atmosferiche sono longitudinali, poiché le onde trasversali richiedono mezzi con sufficiente rigidità per consentire i caratteristici movimenti perpendicolari.

- Le onde longitudinali provocano variazioni di pressione e densità nel mezzo attraverso il quale si propagano. D'altra parte, le onde trasversali non influenzano il mezzo in questo modo.

Somiglianze tra onde longitudinali e trasversali

Hanno le stesse parti in comune: periodo, ampiezza, frequenza, cicli, fase e velocità. Tutte le onde sono soggette a riflessione, rifrazione, diffrazione, interferenza ed effetto Doppler e trasportano energia attraverso il mezzo.

Anche se i picchi e le valli sono distintivi di un'onda trasversale, le compressioni nell'onda longitudinale sono analoghe ai picchi e le espansioni alle valli, in modo tale che entrambe le onde ammettono la stessa descrizione matematica dell'onda sinusoidale o dell'onda sinusoidale.

Esempi di onde longitudinali

Le onde sonore sono le onde longitudinali più tipiche e sono tra le più studiate, poiché sono il fondamento della comunicazione e dell'espressione musicale, ragioni della loro importanza nella vita delle persone. Inoltre, le onde sonore hanno importanti applicazioni in medicina, sia nella diagnosi che nel trattamento.

La tecnica degli ultrasuoni è ben nota per ottenere immagini mediche, nonché per il trattamento dei calcoli renali, tra le altre applicazioni. Gli ultrasuoni sono generati da un cristallo piezoelettrico in grado di creare un'onda di pressione longitudinale quando gli viene applicato un campo elettrico (produce anche una corrente quando viene applicata la pressione).

Per vedere davvero come appare un'onda longitudinale, niente di meglio di molle elicoidali o slinkys. Dando un piccolo impulso alla molla, è immediato osservare come le compressioni e le espansioni si propagano alternativamente durante le spire.

- Onde sismiche

Anche le onde longitudinali fanno parte dei movimenti sismici. I terremoti sono costituiti da diversi tipi di onde, tra cui le onde P o primarie e le onde S o secondarie. I primi sono longitudinali, mentre nel secondo le particelle medie vibrano in direzione trasversale allo spostamento dell'onda.

Nei terremoti vengono prodotte sia onde longitudinali (onde P primarie) sia onde trasversali (onde S secondarie) e altri tipi, come onde di Rayleigh di superficie e onde di Love.

In effetti, le onde longitudinali sono le uniche conosciute per viaggiare attraverso il centro della Terra. Poiché si muovono solo in mezzi liquidi o gassosi, gli scienziati ritengono che il nucleo della Terra sia composto principalmente da ferro fuso.

- Esercizio applicativo

Le onde P e le onde S prodotte durante un terremoto viaggiano a velocità diverse sulla Terra, quindi i loro tempi di arrivo alle stazioni sismografiche sono diversi (vedi figura 3). Grazie a questo, è possibile determinare la distanza dall'epicentro del terremoto, mediante triangolazione, utilizzando i dati di tre o più stazioni.

Figura 3. Le onde sismiche P e S arrivano ai sismografi con tempi differenti, poiché le loro velocità sono differenti. Fonte: Wikimedia Commons.

Supponiamo che v _P = 8 km / s sia la velocità delle onde P, mentre la velocità delle onde S sia v _S = 5 km / s. Le onde P arrivano 2 minuti prima delle prime onde S. Come si calcola la distanza dall'epicentro?

rispondere

Sia D la distanza tra l'epicentro e la stazione sismologica. Con i dati forniti si può trovare il tempo di percorrenza t _P et _S di ogni onda:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

La differenza è Δt = t _S - t _P :

Δt = D / v _S - D / v _P = D (1 / v _S - 1 / v _P )

Risolvendo per il valore di D:

D = Δt / (1 / v _S - 1 / v _P ) = (Δt. V _P. V _C ) / (v _P - v _C )

Sapendo che 2 minuti = 120 secondi e sostituendo il resto dei valori:

D = 120 s. (8 km / s. 5 km / s) / (8 - 5 km / s) = 1600 km.

Riferimenti

1. Differenza tra onde trasversali e longitudinali. Estratto da: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Waves and Quantum Physics. Serie di fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 7. A cura di Douglas Figueroa. Università Simon Bolivar. 1-58.
3. Infrasuoni e ultrasuoni. Recupero da: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. moto ondoso longitudinale e trasversale. Estratto da: acs.psu.edu.
6. Onde d'acqua. Estratto da: labman.phys.utk.edu.