ONDE DI SUPERFICIE: CARATTERISTICHE, TIPOLOGIE ED ESEMPI - FISICO - 2026

Le onde di superficie sono quelle in cui le particelle vibranti hanno movimento in due dimensioni, come le onde che si producono quando una pietra cade in uno stagno o in un lago.

Questo tipo di onda si verifica all'interfaccia tra due diversi media, come l'oceano e l'aria, o tra la superficie della Terra e l'aria. Queste sono onde in cui le particelle sperimentano trasversali combinate con spostamenti longitudinali, cioè bidimensionali.

Figura 1. Onde di superficie in uno stagno. Fonte: Pixabay.

Ad esempio, le particelle d'acqua sulla superficie dell'oceano - le onde - si muovono secondo percorsi circolari. Quando le onde si infrangono sulla riva, predominano gli spostamenti longitudinali e quindi si vedono le alghe o un pezzo di legno che galleggia muoversi dolcemente da davanti a dietro.

Le onde si muovono anche sulla superficie terrestre in modo analogo alle onde dell'oceano. Viaggiano a una velocità inferiore rispetto alle onde che si muovono internamente attraverso il volume terrestre, ma sono in grado di provocare più facilmente risonanze negli edifici.

Poiché le onde producono vibrazioni e trasportano energia, hanno effetti distruttivi durante i terremoti.

Figura 2. Onde di superficie nell'oceano. Le particelle d'acqua si muovono in senso orario quando il movimento dell'onda è da sinistra a destra. Nel punto più alto si trovano sulla cresta dell'onda, mentre il punto più basso è chiamato canale. Fonte della figura a sinistra: F. Zapata. Fonte figura a destra: Giambattista, A. 2010. Fisica. 2 °. Edizione. McGraw Hill.

Tipi di onde superficiali

Qualsiasi tipo di onda, superficiale o meno, è una soluzione dell'equazione delle onde, che si applica a quasi tutti i tipi di moto ondoso, non solo meccanico, come negli esempi descritti, ma anche onde elettromagnetiche, che sono un diversi tipi di onde in quanto sono trasversali.

L'equazione delle onde, che si ottiene considerando la seconda legge di Newton, è scritta così:

Nell'equazione precedente, u è la funzione d'onda che dipende dalle tre coordinate spaziali x, yez più il tempo t: u = u (x, y, z, t). Inoltre v è la velocità del disturbo. L'equazione delle onde può essere dichiarata in altri sistemi di coordinate a seconda della geometria richiesta.

Per trovare la soluzione all'equazione, viene adattata alle condizioni del problema, in cui, ad esempio, viene delimitata la geometria e vengono stabilite le proprietà del mezzo attraverso il quale si muove il disturbo.

Esistono molti tipi di onde di superficie, come:

-Onde gravitazionali (onde gravitazionali) come le onde oceaniche descritte all'inizio, in cui la gravità fornisce una forza di ripristino che consente il movimento trasversale.

-Superficie rigonfia in uno stagno, ecco la tensione superficiale dell'acqua che esercita come forza di ripristino.

-Onde elastiche di superficie che si muovono sulla superficie terrestre durante un terremoto.

-Le onde elettromagnetiche, che pur essendo trasversali, possono essere adeguatamente guidate per muoversi su una superficie.

-Alcuni tipi di onde che vengono prodotte nelle corde di una chitarra quando le corde vengono colpite con forza.

Onde elastiche superficiali sulla superficie terrestre

Figura 3. Onda di superficie sulla superficie terrestre. Il movimento delle particelle è una combinazione di spostamenti trasversali e longitudinali. Fonte: Giambattista, A. 2010. Fisica. 2 °. Edizione. McGraw Hill.

Quando si risolve l'equazione delle onde, le soluzioni, come abbiamo detto, corrispondono a diversi tipi di onde. Quando il disturbo si muove in un mezzo solido come la crosta terrestre, è possibile fare alcune ipotesi al riguardo che semplificano il processo.

Per questo motivo, il mezzo è considerato perfettamente elastico, omogeneo e isotropo, il che significa che le sue proprietà sono le stesse indipendentemente dalla posizione o dalla direzione.

Con questo in mente, due delle soluzioni all'equazione delle onde in un mezzo elastico corrispondono alle onde di superficie:

- Waves of Rayleigh, dal nome di Lord Rayleigh (1842-1919), il fisico britannico che per primo le descrisse.

-Waves of Love, di Augustus Love, geofisico e matematico britannico (1863-1940) che ha sviluppato la teoria di queste onde nelle sue opere sull'elasticità.

In sismica, queste onde sono chiamate onde L, per differenziarle dalle onde P e onde S, entrambe considerate onde di volume (onde del corpo) che sono anche una soluzione all'equazione d'onda con le condizioni sopra descritte. Le onde P sono longitudinali e le onde S sono trasversali.

Esempi di onde superficiali

Onde di Rayleigh

In un'onda di Rayleigh, le particelle del fronte d'onda vibrano sul piano verticale, quindi si dice che siano polarizzate verticalmente. Le particelle si muovono in un'ellisse, a differenza delle onde sulla superficie dell'oceano, il cui moto è circolare, come si è detto all'inizio (anche se vicino alla costa sono piuttosto ellittiche).

L'asse maggiore dell'ellisse è verticale e l'asse minore segue la direzione di propagazione, come mostrato in figura. Lì si nota anche che il movimento è retrogrado, cioè viene eseguito in senso antiorario.

Figura 4. Onda di Rayleigh. Fonte: Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. 2 °. Edizione. Cambridge University Press.

Un'altra importante differenza con le onde d'acqua è che le onde di Rayleigh possono propagarsi solo in mezzi solidi, poiché c'è una forza di taglio che non si verifica nei liquidi.

L'ampiezza dello spostamento delle particelle diminuisce in modo esponenziale con la profondità, poiché l'onda è limitata alla superficie, sebbene se si tratta di un terremoto ad alta intensità, le onde possono circondare la Terra più volte prima di svanire completamente. .

Onde d'amore

In Love Waves le particelle sono polarizzate orizzontalmente e hanno una grande ampiezza di movimento parallela alla superficie. Si muovono a una velocità leggermente inferiore rispetto alle onde di Rayleigh, sebbene la velocità in questi tipi di onde dipenda dalla lunghezza d'onda (onda dispersiva).

Affinché queste onde si propagino, deve esserci uno strato a bassa velocità sovrapposto ad almeno uno strato a velocità più alta nel mezzo. Come le onde di Rayleigh, le onde dell'Amore prodotte durante un terremoto possono circondare la Terra più volte prima di disperdere la loro energia.

Figura 5. Onde d'amore. Fonte: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Rotolo di terra

È comune trovare questa variante delle onde di Rayleigh, chiamata ground roll, nei registri di esplorazione sismica. È considerato rumore e deve essere evitato, perché a causa della sua grande ampiezza, a volte maschera i riflessi che stai cercando di vedere.

onde oceaniche

A grande profondità, le onde dell'oceano sono onde longitudinali, come quelle del suono. Ciò significa che la sua direzione di propagazione è la stessa della direzione in cui vibrano le particelle.

Tuttavia, l'onda, vicino alla superficie, ha componenti sia longitudinali che trasversali, facendo sì che le particelle seguano un percorso quasi circolare (vedi figura 2 a destra).

Figura 6. Le onde dell'oceano sono onde di superficie. Fonte: Pixabay.

Riferimenti

1. Figueroa, D. 2005. Waves and Quantum Physics. Serie di fisica per la scienza e l'ingegneria. A cura di D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fisica. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Fondamenti di geofisica. 2 °. Edizione. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Onde d'amore. Estratto da: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Onde di Rayleigh. Estratto da: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Onde di superficie. Estratto da: en.wikipedia.org.