Moto ondulatorio Meccanismo di trasporto di energia che non implica trasferimenti di materia. Sebbene non sia necessario che la materia si sposti da un punto a un altro durante la propagazione ondosa, molti tipi di moti ondulatori possono avvenire solo in presenza di materia. In ogni punto della traiettoria dell'onda ha luogo uno spostamento periodico, o oscillazione, intorno a una posizione media. Esempi di moto ondulatorio sono le vibrazioni delle molecole dell'aria, responsabili della propagazione del suono nell'atmosfera, e le onde del mare dovute a oscillazioni delle molecole d'acqua. In ognuno di questi casi le particelle materiali oscillano intorno alla loro posizione di equilibrio, ed è solamente l'energia quindi che si muove con continuità in una sola direzione Onde di questo tipo, ossia che si propagano con oscillazione di materia, sono dette meccaniche perché l'energia viene trasmessa attraverso un mezzo meccanico. Le onde elettromagnetiche, che consistono in variazioni periodiche dell'intensità del campo magnetico ed elettrico, possono invece propagarsi nello spazio vuoto.

Tipi di onde

Le onde si dicono trasversali o longitudinali a seconda che la direzione di oscillazione sia parallela o perpendicolare rispetto alla direzione di propagazione. Un'onda longitudinale può essere solo meccanica: essa risulta infatti da successive compressioni (stati di densità e pressione massimi) e rarefazioni (stati di densità e pressione minimi) del mezzo. Le onde sonore ne sono un esempio tipico. Esempi di onde trasversali sono invece quelle che si propagano lungo una corda tesa o le onde elettromagnetiche, come la luce, i raggi X, o le onde radio.

La lunghezza d'onda è la distanza tra due creste successive per le onde trasversali, e la distanza tra due compressioni successive o due rarefazioni successive per le onde longitudinali. La frequenza dell'onda è data dal numero di vibrazioni compiute in un secondo; la velocità di propagazione è pari al prodotto della lunghezza d'onda per la frequenza. L'elongazione massima di una vibrazione per le onde meccaniche è detta ampiezza dell'onda; mentre nel caso delle onde elettromagnetiche l'ampiezza rappresenta il valore più intenso del campo magnetico o del campo elettrico.

Comportamento delle onde

La velocità di un'onda nella materia dipende dall'elasticità e dalla densità del mezzo. In un'onda trasversale che si propaga lungo una corda fissa, ad esempio, la velocità dipende dalla tensione della corda, e dalla sua massa per unità di lunghezza. La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche è costante ed è pari a circa 300.000 km/s nel vuoto, ma si riduce nella materia.

Rifrazione

In generale, quando un'onda passa da un mezzo a un altro la direzione di propagazione subisce una variazione; questo fenomeno è detto rifrazione. Ad esempio quando un raggio di luce passa dall'aria al vetro, si avvicina alla retta perpendicolare alla superficie di separazione tra i due mezzi. (Un raggio che incida perpendicolarmente non subisce alcuna deviazione). Questo fenomeno è dovuto al fatto che la velocità di propagazione varia in relazione al mezzo di propagazione.

Riflessione

Ogni volta che un'onda incide sulla superficie di separazione tra due mezzi, si separa in due componenti distinte: una prosegue nel secondo mezzo, subendo la rifrazione, l'altra viene riflessa all'interno del primo mezzo. Nel caso della luce che colpisce il vetro di una finestra, la luce riflessa è debole rispetto a quella rifratta. Se invece la luce colpisce un materiale opaco, è più intensa la luce riflessa rispetto a quella che riesce a penetrare nel mezzo prima di essere completamente assorbita. Riflessione.

 

Polarizzazione

Se le oscillazioni di un'onda trasversale hanno luogo tutte nello stesso piano, l'onda si dice polarizzata. Più comunemente invece le onde trasversali oscillano in tutte le direzioni; in questo caso esse possono essere studiate come la combinazione di oscillazioni orizzontali e verticali, o di una qualunque altra coppia di direzioni perpendicolari. Vedi Ottica: polarizzazione della luce.

Diffrazione

Tutte le onde (a parte quelle monodimensionali, come quelle di una corda) quando passano attraverso piccole aperture o quando incontrano un ostacolo sul loro cammino deviano dalla direzione di propagazione rettilinea, sparpagliandosi in direzioni diverse. A causa di questo fenomeno, detto diffrazione, è udibile un suono emesso da una sorgente posta dietro un angolo e il contorno delle ombre non è mai netto. La diffrazione diventa particolarmente intensa quando l'apertura attraverso cui si insinua l'onda è piccola rispetto alla sua lunghezza d'onda.

Interferenza

Quando due onde si incontrano in un punto, l'ampiezza delle vibrazioni in quel punto è data dalla somma algebrica dell'ampiezza delle due onde; se l'oscillazione avviene nello stesso senso per le due onde, se ne ottiene un rafforzamento, diversamente un indebolimento. Questo fenomeno è detto interferenza.

Onde stazionarie

Quando due onde con lunghezza d'onda e ampiezza uguali viaggiano alla stessa velocità nello stesso mezzo, si forma un'onda stazionaria. Ad esempio, se si annoda un'estremità di una corda a un muro e si scuote l'altra estremità, si ha dopo poco la sovrapposizione dell'onda diretta e di quella riflessa dal muro. Ammesso che la riflessione sia perfettamente efficiente, l'onda riflessa risulta sfasata di mezza lunghezza d'onda rispetto all'onda diretta. Per il fenomeno dell'interferenza le oscillazioni della corda in ogni punto sono date dalla somma algebrica delle singole onde. I punti in cui i massimi dell'una incontrano i minimi dell'altra rimangono fermi, e prendono il nome di nodi. A metà strada tra un nodo e l'altro le onde si sovrappongono in fase, e l'ampiezza dell'onda risultante è il doppio di quella dell'onda diretta; tali punti si chiamano ventri. La corda risulta divisa dai nodi in una serie di tratti lungo ciascuno una lunghezza d'onda, entro i quali la corda oscilla trasversalmente.

Le corde degli strumenti musicali generano onde stazionarie; una corda di violino, ad esempio, vibra generando un'onda stazionaria con i nodi agli estremi, simultaneamente a una con tre nodi di cui uno al centro, a un'altra con quattro nodi, e così via. La vibrazione a due nodi produce la nota fondamentale, tutti gli altri modi di vibrazione generano le armoniche successive.

Teoria quantistica

Secondo la teoria quantistica tutte le particelle possono assumere un comportamento di tipo ondulatorio, anche se tale comportamento può essere sperimentalmente osservato solo per particelle subatomiche. Ad esempio, come conseguenza della natura ondulatoria dell'elettrone, la struttura dell'atomo può essere spiegata in termini di un sistema di onde stazionarie. Poiché il dualismo onda-particella è un aspetto molto importante della fisica moderna, molti degli sviluppi attuali si fondano sulla teoria delle onde e della propagazione per onde.