VIBRAZIONE – OSCILLAZIONE E NASCITA DEL SUONO

VIBRAZIONE – OSCILLAZIONE E NASCITA DEL SUONO

Energia | Vibrazione | Oscillazione | Movimento | Onda | Frequenza 

VIBRAZIONE – SECONDO LA FISICA

Movimento rapido e ripetitivo di un oggetto intorno a un punto specifico, noto come posizione di equilibrio o di riposo (per esempio l’oggetto oscilla avanti e indietro intorno a questo punto). L’oscillazione chiaramente può avvenire in direzioni diverse, come destra e sinistra, avanti e indietro oppure su e giù. Ad ogni modo questa è una definizione generale del concetto di vibrazione, che può essere applicata a differenti fonti sonore.

Il termine vibrazione viene descritto dalla fisica come oscillazione meccanica (o movimento/moto oscillatorio) di ampiezza relativamente piccola e di frequenza relativamente grande attorno ad un punto di riferimento (o punto di equilibrio).

Essa viene descritta come avente una piccola ampiezza e una grande frequenza in quanto l’oggetto si muove solo di una piccola quantità rispetto alla sua posizione di equilibrio e lo fa molte volte in un periodo di tempo.

L’ampiezza della vibrazione rappresenta quanto l’oggetto si muove dalla posizione di equilibrio (ovvero la distanza massima tra il punto di equilibrio e il punto più lontano raggiunto dall’oggetto durante il movimento), mentre la frequenza rappresenta quante volte l’oggetto compie un ciclo completo di movimento in un periodo di tempo. In generale, le oscillazioni a grande frequenza hanno un’ampiezza piccola e viceversa.

Ampiezza = estensione del movimento.
Frequenza = velocità con cui avviene il movimento ciclico.

La definizione di “piccola ampiezza e grande frequenza” è una convenzione approssimata della fisica classica che si utilizza per descrivere una certa categoria di vibrazioni, caratterizzate da un movimento periodico e regolare attorno a un punto di equilibrio. In questo contesto la relazione inversa tra ampiezza e frequenza è rappresentata dalla teoria delle oscillazioni armoniche semplici, la quale descrive il movimento periodico e regolare di sistemi fisici, come pendoli, molle e altri sistemi che soddisfano i criteri di oscillazione armonica. Essa si basa sulla legge di conservazione dell’energia e la legge di Hooke. È importante sottolineare che la teoria delle oscillazioni armoniche semplici è un modello semplificato e non copre tutte le possibili vibrazioni. Esistono anche vibrazioni non lineari e caotiche che richiedono approcci diversi per la loro descrizione accurata.

Il punto di equilibrio (o di riposo) può essere considerato la posizione originaria dell’oggetto, ove esso è in equilibrio e non si muove. Rappresenta il punto specifico intorno al quale l’oggetto oscilla (qualora sollecitato), nonché la posizione in cui l’oggetto tende a stabilizzarsi (qualora non più sollecitato da forze esterne).

Le vibrazioni possono essere causate da una molteplicità di fattori, come ad esempio l’applicazione di una forza esterna o una perturbazione interna, possono venire  generate direttamente dall’oggetto stesso (pensiamo alla vibrazione di un telefono cellulare mentre riceve una chiamata) e molto altro ancora.

TIPI DI VIBRAZIONI – LIBERE E FORZATE

• Le vibrazioni libere sono quelle in cui un sistema vibrante oscilla senza l’interferenza esterna di una forza. Si verificano perciò quando un sistema viene spostato dalla sua posizione di equilibrio e rilasciato senza l’applicazione continua di una forza esterna. Dopo il rilascio, il sistema inizia a oscillare in modo autonomo, con la frequenza naturale determinata dalle sue caratteristiche intrinseche, come la massa e la rigidità per esempio.
• Le vibrazioni forzate invece, sono quelle in cui un sistema vibrante è costantemente stimolato da una forza esterna periodica, che può influire sul comportamento del sistema in modi diversi. La frequenza di queste vibrazioni è determinata dalla frequenza della forza esterna. In alcuni casi, se la frequenza della forza esterna è in risonanza con la frequenza naturale del sistema, si può avere un aumento significativo dell’ampiezza delle vibrazioni.

COME NASCONO LE VIBRAZIONI E SI CREANO LE ONDE SONORE

In acustica, le vibrazioni nascono da una sorgente sonora, che può essere, per esempio, la voce umana, uno strumento musicale o qualsiasi altra cosa produca suoni. Le vibrazioni meccaniche della sorgente sonora creano variazioni nella posizione e nella velocità delle molecole dell’aria circostante (il nostro mezzo). Vi sono delle vere e proprie collisioni tra molecole, le quali si comprimono e si dilatano in modo alternato, creando punti di alta pressione (compressioni), ove la densità delle molecole è più alta e punti di bassa pressione (rarefazioni), ove la densità delle molecole è più bassa. Queste variazioni di pressione si propagano attraverso l’aria, creando così l’onda sonora, che viene percepita dal nostro orecchio in qualità di suono.

Illustrazione by Pasco Sound Waves

La vibrazione generata dal motore di un’automobile e quella generata da un violino sono differenti e quindi generano suoni con caratteristiche differenti, ma seguono lo stesso principio di trasmissione sonora.

1. Riflessione: Immagina di lanciare una palla contro un muro; essa rimbalzerà verso di te. Nello stesso modo, l’energia dell’onda sonora viene riflessa indietro verso la sorgente sonora. La direzione e l’intensità della riflessione dipendono dalla geometria e dalla natura dell’ostacolo. Ad esempio, un muro solido tenderà a riflettere l’onda sonora in modo più efficace rispetto a una superficie più morbida.
2. Assorbimento: L’onda sonora può essere assorbita dall’ostacolo. Questo può accadere se il materiale del muro ha proprietà assorbenti per le onde sonore. In tal caso, parte dell’energia dell’onda viene convertita in calore.
3. Trasmissione: Se il muro non è completamente solido e parte dell’onda può attraversarlo, si verifica la trasmissione. Quindi, una parte dell’energia dell’onda passa attraverso il muro e continua a viaggiare nell’aria, oltre il muro stesso.

Una vibrazione meccanica generata dal motore di una macchina si trasforma in onda sonora attraverso lo stesso principio sopra descritto. Ovviamente la sorgente sonora cambia, ovvero non è più una corda di chitarra ma il motore di una macchina. In questo caso, le vibrazioni generate dal motore possono essere trasmesse dal telaio della macchina al mezzo circostante, che può essere l’aria o qualsiasi altro materiale, solido o liquido.

SINTETIZZANDO 

La sorgente sonora crea una perturbazione meccanica (vibrazione) che si propaga attraverso l’aria. Questa perturbazione causa una serie di compressioni e rarefazioni tra le molecole dell’aria, che si traducono in un’onda sonora. L’onda viene trasportata dalle molecole e trasmessa poi a quelle vicine, che iniziano a vibrare alla stessa frequenza. Infine, il processo di trasduzione avviene quando le onde sonore, che incontrano il timpano nell’orecchio umano, causano vibrazioni, a sua volta trasformate in segnali elettrici, che il cervello interpreta come suono.

Si può dire che, sostanzialmente, si tratta di un processo nel quale la vibrazione iniziale generata dalla sorgente sonora si trasforma in un segnale elettrico nel cervello, permettendo così la percezione del suono.

In fisica, il termine “mezzo” si riferisce a qualsiasi materiale attraverso cui le vibrazioni possono essere trasmesse (solidi, liquidi, gas, ecc.)

Il telaio di una macchina oppure la corda di un violino sono esempi di mezzi elastici che possono trasmettere vibrazioni. Un mezzo elastico ha la capacità di sopportare tensioni meccaniche senza di fatto deformarsi permanentemente, e questa proprietà lo rende adatto a trasmettere vibrazioni.

I mezzi elastici solidi tendono a trasmettere le vibrazioni con maggiore intensità rispetto per esempio all’aria (mezzo elastico debole), in quanto le loro proprietà fisiche (come rigidità, densità, ecc.) sono spesso maggiori in rapporto all’aria, il che significa che le vibrazioni si propagano più velocemente e con un’intensità maggiore.

MEZZO ELASTICO

Un mezzo elastico è un materiale o sostanza che ha la capacità di tornare alla sua forma originaria dopo essere stato deformato dall’applicazione di una forza. Questa proprietà è conosciuta come elasticità. Inoltre, i mezzi elastici hanno anche la capacità di trasmettere le vibrazioni, come le onde sonore, attraverso la loro struttura.

L’elasticità è una proprietà fisica che descrive come un corpo reagisce all’azione di una forza esterna. Se un corpo è elastico è in grado di deformarsi sotto l’azione di una forza esterna e di riacquistare, se le deformazioni non sono eccessive, la sua forma originale al venir meno della forza. Tuttavia, il corpo potrebbe non tornare esattamente alla sua forma originale, ma piuttosto a una forma leggermente diversa. Invece, un corpo perfettamente elastico è un corpo che, al venir meno della forza esterna, torna esattamente alla sua forma originale, senza alcuna deformazione permanente.

Questa proprietà riguarda sia i corpi solidi che i fluidi. I corpi solidi hanno sia elasticità di forma che di volume, il che significa che reagiscono elasticamente alle forze che tendono a deformare il loro volume e a cambiare i loro angoli. I fluidi, invece, hanno solo elasticità di volume, in quanto reagiscono elasticamente a una compressione o espansione, ma non oppongono resistenza al cambiamento di forma, che dipende dal recipiente in cui sono contenuti.

ALCUNE DELLE VARIE FONTI CHE CAUSANO O POTREBBERO CAUSARE VIBRAZIONI E VARIAZIONI DELLE STESSE:

• una forza esterna improvvisa, una variazione di velocità (movimenti bruschi o cambiamenti improvvisi di velocità possono generare vibrazioni).
• strumenti musicali (chitarre, pianoforti, trombe, batterie, tamburi, percussioni, ecc.);
• strumenti elettronici (altoparlanti e amplificatori);
• sorgenti sonore umane (battito mani, piedi, schiocchi delle dita, voce umana, ecc.);
• suoni ambientali, che comprendono anche eventi naturali, ovvero fenomeni che avvengono in natura, spesso influenzati da forze naturali come il clima, la geologia o l’ambiente (tuoni, cascate, vulcani, uragani, traffico, vento, onde del mare che si infrangono sulla spiaggia, animali, ecc);
• una variazione di temperatura o di pressione (anche se di solito non sono dirette fonti di vibrazioni, variazioni di temperatura oppure pressione possono influenzare il comportamento di materiali che potrebbero successivamente generare vibrazioni);
• un’irregolarità nel moto di un sistema (soprattutto se associata a cambiamenti bruschi, può influenzare ulteriormente le vibrazioni o modificarne le caratteristiche);
• una collisione, un urto, esplosioni, terremoti (situazioni di scontro, esplosioni o terremoti possono produrre forti vibrazioni e un impatto sonoro potente e distintivo);
  motori e macchinari in movimento (rappresentano fonti comuni di vibrazioni, specialmente in contesti industriali)…

ENERGIA VIBRAZIONALE
Si potrebbe pensare alla vibrazione come ad una espressione o manifestazione dell’energia.

IL SUONO: FREQUENZA – PERIODO – ONDE E SEGNALI: Esperimenti con l’oscilloscopio

OSCILLAZIONE – SECONDO LA FISICA

L’uso del termine oscillazione in fisica tende a riferirsi a un moto periodico e regolare (si può dire sia la caratteristica distintiva dell’oscillazione) di un oggetto o un sistema fisico attorno a un punto di equilibrio, il quale ripete continuamente lo stesso movimento in un intervallo di tempo costante. Ad ogni modo, non è detto che tutte le oscillazioni siano perfettamente regolari.

Con il termine oscillazione (come del resto accade per la vibrazione) non ci si riferisce esclusivamente alle oscillazioni meccaniche. Pensiamo ad esempio alle oscillazioni dei neutrini che descrivono il regolare cambiamento del loro sapore, da neutrini elettronici a neutrini muonici, tau e viceversa. La definizione di oscillazione può essere estesa a molte altre situazioni oltre a quelle meccaniche.

Se le oscillazioni intorno ad una posizione di riferimento (o punto di equilibrio) sono superiori a 20 Hertz (Hz), la vibrazione è acustica (sonora), cioè produce un suono udibile al nostro orecchio, se invece i movimenti oscillatori  sono inferiori a 20 Hertz (Hz), la vibrazione è meccanica. Tuttavia, le vibrazioni meccaniche possono essere percepite come suoni udibili se sono abbastanza intense, anche se la loro frequenza è al di sotto di 20 Hertz.

VIBRAZIONE – OSCILLAZIONE – DIFFERENZA

In fisica, la differenza tra vibrazione e oscillazione può essere sottile e i due termini sono spesso usati in modo intercambiabile. In ogni caso, entrambe possono essere di natura meccanica, elettrica o termica.

In generale, entrambi i termini descrivono un movimento che si ripete nel tempo. Talvolta si legge che la vibrazione è associata a un movimento irregolare e non periodico, mentre l’oscillazione è associata a un movimento periodico e regolare.

In realtà la vibrazione può essere sia regolare che irregolare, a seconda delle cause che la generano e delle proprietà del sistema vibrante. Una vibrazione regolare si ripete in modo uniforme nel tempo, mentre una vibrazione irregolare non segue un modello preciso e può cambiare in modo casuale nel tempo.

OSCILLAZIONE COME CONSEGUENZA DELLA VIBRAZIONE

In linea di massima, se pensiamo all’oscillazione come conseguenza della vibrazione, significa che se la vibrazione è regolare, l’oscillazione che ne consegue sarà anch’essa regolare, e viceversa. Ma se vi sono dei cambiamenti (determinati da fattori esterni per esempio) che vanno ad influire sull’”andamento” della vibrazione stessa modificandone il movimento, ne consegue che anche l’oscillazione si adatterà al nuovo assestamento vibratorio, andando così a modificare il suo moto. La regolarità o l’irregolarità della vibrazione determinerà la regolarità o l’irregolarità dell’oscillazione.

Esempio: immaginiamo un pendolo fissato a un punto, oscillante regolarmente avanti e indietro. Questo movimento periodico è causato dalle vibrazioni che si ripetono costantemente. Toccando il pendolo, introduciamo un cambiamento che influirà sulla sua vibrazione, rendendo anche l’oscillazione del pendolo più irregolare. Quindi, il contatto con il pendolo provoca una variazione nella sua vibrazione, che a sua volta incide sul movimento dell’oscillazione. Il tocco può aumentare l’energia cinetica e potenziale del pendolo, modificandone la traiettoria e il movimento periodico. Tuttavia, con il passare del tempo, l’energia cinetica e potenziale si riequilibreranno, riportando l’oscillazione a essere regolare.

L’ONDA ACUSTICA E’ UN’OSCILLAZIONE

Un’onda acustica è un’espressione di oscillazioni nel mezzo di propagazione e, in particolare, è associata alle oscillazioni della pressione dell’aria. Nell’ambito dell’acustica, il suono è comunemente rappresentato come onde acustiche, ovvero onde di pressione che si propagano attraverso il mezzo di trasmissione.

Quando una sorgente sonora genera una compressione locale dell’aria, crea, come abbiamo visto, un’area di maggiore pressione, seguita da un’area di minore pressione, causando così un’oscillazione periodica della pressione. Questo movimento oscillatorio si propaga attraverso l’aria, formando un’onda acustica. Quindi, un’onda acustica oscilla, rappresentando le variazioni periodiche di pressione nell’aria.

Vibrazione – Oscillazione e Formazione di Onde Acustiche

SEMPLIFICANDO ULTERIORMENTE

La vibrazione è il movimento oscillatorio di un sistema, mentre l’oscillazione è la ripetizione di tale movimento nel tempo. La regolarità o l’irregolarità della vibrazione dipende dalle cause che la generano e dalle proprietà del sistema vibrante, e questo a sua volta, inevitabilmente, influirà sulla regolarità o l’irregolarità dell’oscillazione.

Un colpo ad una molla può causare una vibrazione iniziale che si trasforma poi in oscillazione periodica. Anche per quanto riguarda le onde acustiche (come abbiamo già trattato precedentemente), prima dell’oscillazione c’è una vibrazione delle particelle del mezzo che genera una pressione acustica non periodica, e solo quando le particelle del mezzo si muovono in modo ripetitivo si ha un’oscillazione acustica percepibile come suono.

Si potrebbe dire che la vibrazione sia alla base di molte delle proprietà fondamentali della materia e della natura stessa.

FREQUENZA DI VIBRAZIONE

La frequenza, espressa in Hertz (Hz), è una grandezza, la quale calcola Il numero di volte che un fenomeno periodico si ripete nell’unità di tempo. In altre parole: il numero di oscillazioni che un’onda compie al secondo. Ad esempio: 432 Hz equivalgono a 432 cicli completi (dell’onda sonora) per secondo, ovvero la forma d’onda si ripete 432 volte nell’arco di un secondo. Essa determina la percezione dell’altezza del suono.

Il nostro orecchio percepisce un suono laddove la sua frequenza è compresa tra i 20 e i 20000 Hz. Sotto i 20 Hz vengono emessi gli Infrasuoni e sopra i 20000 Hz gli Ultrasuoni, entrambi non udibili dall’orecchio umano.

ONDA – SECONDO LA FISICA
In particolare: Periodica, Meccanica, Longitudinale/Trasversale e Armonica

In generale, per la fisica, un’onda (o fenomeno ondulatorio) è una perturbazione di tipo vibratorio o oscillatorio. Essa nasce da una sorgente e si propaga nello spazio, sia attraverso un mezzo materiale/fisico/elastico sia nel vuoto, trasportando e trasmettendo energia senza condurre però alcuna materia. L’onda elettromagnetica e l’onda gravitazionale per esempio, possono propagarsi anche in mancanza di un mezzo, mentre altri fenomeni ondulatori come un’onda sismica o nel nostro caso sonora, esistono esclusivamente in un mezzo fisico di propagazione (fenomeno ondulatorio di tipo meccanico).

Onde elastiche, meccaniche, acustiche e sismiche sono diverse forme di onde che si propagano in un mezzo fisico elastico. Ognuna di queste onde ha caratteristiche specifiche e un’applicazione unica, ad esempio l’onda acustica è associata al suono e la sua propagazione dipende dalle proprietà del mezzo attraverso il quale si propaga, mentre le onde sismiche sono associate ai terremoti e la loro propagazione avviene nel sottosuolo, che per le sue proprietà di elasticità può essere considerato come un mezzo elastico.

ONDE MECCANICHE O ELASTICHE = Onde che si propagano all’interno di un mezzo fisico e tra queste rientrano per l’appunto le onde sonore.

Forme d’onda periodiche più diffuse

• Sinusoide
• Dente di sega
• Quadra
• Triangolare

Il grafico mostra un’onda periodica sinusoidale (o armonica)

Come abbiamo visto quando emettiamo un suono le nostre corde vocali pongono in vibrazione le molecole dell’aria, dando origine così a una perturbazione. Le molecole, sottoposte a tale scompiglio, tenderanno ad allontanarsi dalla loro posizione d’equilibrio, addensandosi vicino ad altre molecole. Si creerà così una successione di compressioni ed espansioni delle molecole dell’aria, da cui avrà luogo l’onda acustica.

Grazie alle proprietà elastiche del mezzo nel quale un’onda meccanica ha origine (per questo viene definita anche elastica), essa è in grado di propagarsi. La materia subisce una deformazione elastica al passaggio della perturbazione, in quanto le particelle che costituiscono il mezzo si spostano rispetto alla loro posizione di origine, per poi rientrare successivamente in virtù delle forze elastiche di richiamo.

Pensiamo ancora ad una corda di chitarra in vibrazione. Le particelle d’aria verranno sollecitate dalla corda stessa, in quanto vicine ad essa e vibreranno alla medesima frequenza. A loro volta trasmetteranno la vibrazione tale e quale alle particelle vicine. Va da sé che tutte le particelle investite dall’onda oscilleranno con la stessa frequenza. La corda vibrante rappresenta la sorgente di un’onda meccanica che si propaga nell’aria.

ELEMENTI FONDAMENTALI – EVENTO SONORO

1. Sorgente

2. Mezzo

3. Ricevitore

In acustica, la sorgente è l’origine di una onda sonora, ad esempio uno strumento musicale.
Il mezzo è il materiale che trasmette l’onda sonora e può essere solido, liquido o aeriforme.
Il ricevitore è l’elemento che percepisce l’onda sonora, come l’orecchio umano.

Il suono può viaggiare attraverso un mezzo solido elastico come un muro o un pavimento, attraverso un mezzo liquido elastico come l’acqua, o attraverso l’aria, considerato il mezzo aeriforme o gassoso elastico più comune per la trasmissione del suono nell’atmosfera terrestre.

TIPOLOGIE DI ONDE SONORE

Le onde sonore sono classificate in tre tipologie principali in base al loro tracciato grafico, ovvero:

• onde periodiche sinusoidali (o armoniche o regolari): presentano una regolare forma sinusoidale che si ripete periodicamente nel tempo con una determinata frequenza e fase;
• onde periodiche non sinusoidali (o non armoniche): la loro forma d’onda, più complessa rispetto a una semplice funzione sinusoidale, presenta anomalie, pur essendo anch’esse regolari nel tempo;
• onde aperiodiche (o irregolari): hanno una forma non regolare e non ripetitiva, che non segue un modello preciso e può variare in modo casuale nel tempo. Non hanno una frequenza ben definita o una fase costante.

ONDE SINUSOIDALI = onde meccaniche rappresentate da curve, definite appunto sinusoidi, contraddistinte da creste (ovvero i punti più alti dell’oscillazione) e avvallamenti (i punti più bassi dell’oscillazione) consecutivi.

ONDA PERIODICA

Si tratta di un’onda in cui ogni elemento del mezzo materiale ripete lo stesso movimento a ritmo regolare nel tempo e nello spazio. In altre parole la sorgente compie un moto periodico il cui profilo (non necessariamente sinusoidale) si ripete identico a distanze regolari. La frequenza e il periodo sono proprietà importanti di un’onda periodica che determina la sua regolarità. La frequenza descrive il numero di oscillazioni o cicli completi dell’onda che si verificano in un’unità di tempo, mentre il periodo descrive il tempo necessario per completare un ciclo.

MOTO PERIODICO = qualunque movimento che si ripeta ad intervalli regolari al quale fa seguito un‘onda periodica.

In fisica, un moto periodico è un moto in cui un oggetto o un sistema ripete continuamente lo stesso percorso o la stessa configurazione in un intervallo di tempo costante.

MOTO APERIODICO  = qualunque movimento che non si ripete in modo uniforme e  prevedibile nel tempo, al quale fa seguito un’onda aperiodica o irregolare.

Alcuni esempi di moto periodico:

• le onde meccaniche, come le onde sonore e le onde di marea;
• la respirazione e il battito cardiaco;
• i movimenti meccanici di molte macchine e strumenti;
• una molla che viene allungata e rilasciata;
• le lancette di un orologio;
• un pendolo o un orologio a pendolo.

Il battito cardiaco è una contrazione ritmica del cuore, che avviene in modo regolare e periodico, e che ha lo scopo di far circolare il sangue nel corpo umano.

ONDA ARMONICA (o sinusoidale)

In fisica, un’onda armonica è un tipo di onda periodica in cui la posizione o la velocità di un sistema varia in modo sinusoidale nel tempo. Un esempio di onda armonica è un’onda sonora generata da una sorgente meccanica che si muove periodicamente, come ad esempio la corda di una chitarra (in questo caso si parla di onda armonica composta). In acustica, gli strumenti musicali producono suoni composti da molte onde armoniche, ciascuna con una frequenza e un’ampiezza specifiche.

Esempi di onde armoniche:

• onda sonora prodotta da una corda di violino mentre viene pizzicata
• onde elettromagnetiche, come le onde radio e le onde luminose
• onde di marea, generate dall’attrazione gravitazionale della luna e del sole sulla terra

ONDA ARMONICA SEMPLICE

L’onda armonica semplice ha una forma d’onda sinusoidale con una sola frequenza e una sola fase, il che significa che non cambia nel tempo e si ripete periodicamente con la stessa configurazione.

ONDA ARMONICA COMPLESSA

L’onda armonica complessa è formata da una somma di onde armoniche semplici con diverse frequenze, fasi e amplitudini. Questo rende la forma d’onda complessa che varia nel tempo.

Gli strumenti musicali producono suoni composti da molte onde armoniche, ciascuna con una frequenza e un’ampiezza specifiche. La forma complessiva del suono risulta dalla somma di queste onde, la quale non è una semplice sinusoide, ma una combinazione di molte sinusoidi con diverse frequenze e amplitudini.

LA TRASFORMATA DI FOURIER

La trasformata di Fourier è una tecnica matematica molto potente, la quale permette di analizzare il contenuto in termini di frequenza di qualsiasi genere di segnale. Nel nostro caso, ci consente di scomporre un segnale complesso (come per l’appunto un’onda armonica complessa) in una somma di onde sinusoidali di frequenza differente.

I Prodigi della TRASFORMATA di FOURIER – YouSciences by GIUX

GRAFICO – OSCILLAZIONE ARMONICA E NON ARMONICA

Position time graph of a harmonic oscillation (e.g. spring–mass oscillatory system) and a non harmonic oscillation (electrocardiogram). This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International license.

Figura 1 – oscillazione armonica (es. sistema oscillatorio molla–massa)

L’ampiezza del moto oscillatorio di un punto, che come si è detto è lo spostamento massimo del punto dalla sua posizione di riposo, è costante nel moto oscillatorio armonico.

Se tendiamo o comprimiamo una molla con una massa a un estremo e poi la lasciamo andare, la massa oscillerà avanti e indietro. Questa oscillazione è chiamata moto armonico (semplice).

Nell’onda sonora, le molecole dell’aria si comportano in modo analogo alla molla.

Nel momento in cui un musicista produce un suono (sollecitando la sorgente sonora), genera un’emissione di energia che si diffonde nell’aria, possiamo così rilevare che le zone di compressione causano un aumento del valore della pressione locale, mentre le zone di rarefazione né causano una diminuzione. Questo aumento e diminuzione (fluttuazione) è di fatto costante e provoca una forma oscillatoria, ovvero un’onda, che essendo una variazione del valore della pressione, viene definita proprio onda di pressione (sonora), percepita come tale dal nostro sistema uditivo.

Questa descrizione fisica dell’oscillazione di pressione viene rappresentata attraverso un movimento definito armonico. Tale moto armonico viene descritto tramite un oscillatore armonico, ovvero un sistema meccanico costituito da una molla e da una massa. (Si lega quindi la massa ad una molla, la cui estremità viene fissata su di un supporto fisso, in grado di lasciare libera la molla di muoversi verticalmente sotto l’effetto della massa). Inizialmente la molla è in uno stato di equilibrio (bilanciata dalla massa – quindi l’intero sistema si trova in uno stato di equilibrio). Quando la molla inizia ad oscillare (perché l’allungo o la comprimo per esempio), il suo stato di equilibrio cambia. Questo tipo di oscillazione, che deriva dal moto circolare uniforme (Il moto circolare uniforme – MCU – è un tipo di movimento in cui un oggetto si muove lungo una traiettoria circolare con una velocità costante), produce un moto sinusoidale, il quale viene creato grazie all’interazione di forze elastiche e anche dall’inerzia, ovvero la tendenza di un corpo a mantenere il suo stato di moto, che può essere sia di quiete che di movimento, opponendosi alla variazione dello stato indotto.

Tale massa quindi rispetto alla pressione locale oscilla, dando origine a delle variazioni di posizione che possono descrivere efficacemente le variazioni di pressione generate dall’alternanza delle zone di compressione e delle zone di rarefazione, come avviene tipicamente nelle molecole dell’aria in presenza di onde sonore o altri fenomeni di propagazione.

OSCILLATORE ARMONICO SEMPLICE – VERTICALE

Un oscillatore armonico semplice è un sistema meccanico o elettronico che si muove in modo periodico attorno a una posizione di equilibrio. Il movimento è descritto da una funzione d’onda sinusoidale, con una determinata frequenza e ampiezza. Un esempio di OAS meccanico è una molla con una massa appesa ad essa, dove la molla rappresenta la forza elastica che tende a riportare l’oggetto nella sua posizione di equilibrio, mentre la massa rappresenta l’inerzia del sistema.

Figura 2 – oscillazione non armonica (es. elettrocardiogramma)

In fisica, un’oscillazione non–armonica è un tipo di moto in cui la posizione o la velocità di un sistema varia in modo complesso e non periodico nel tempo a causa di forze non lineari o dissipative. Si tratta di un’oscillazione caratterizzata da una frequenza o una serie di frequenze che non sono multipli interi di una determinata frequenza fondamentale. Un esempio è il moto del pendolo composto.

Esistono principalmente due modi di propagazione dell’onda:

1. Longitudinale (la direzione di oscillazione coincide con quella di propagazione)

2. Trasversale (l’oscillazione avviene in modo perpendicolare rispetto alla direzione della propagazione)

Onde trasversali sono, ad esempio, le onde dell’acqua e le onde luminose. Sono onde trasversali anche quelle che si propagano nelle corde di strumenti musicali come la chitarra o il violino.

Nella molla per esempio, se muoviamo l’estremità avanti e indietro, si propagano onde longitudinali, se invece muoviamo l’estremità perpendicolarmente si propagano onde trasversali.

Le onde sismiche possono essere sia longitudinali (onde sismiche di tipo P – causate da terremoti o esplosioni) che trasversali (onde sismiche secondarie).

Un tipico esempio invece di Onde longitudinali sono proprio le onde sonore (onde meccaniche longitudinali).

N.B. Quando una corda di una chitarra vibra, produce un’onda stazionaria lungo la sua lunghezza. Questa onda stazionaria sulla corda è trasversale, poiché le particelle della corda si muovono verticalmente rispetto alla direzione della corda stessa. Tuttavia, l’onda sonora che viene prodotta e percepita nell’aria quando una corda vibra è longitudinale, poiché l’aria si muove in direzione della propagazione dell’onda.

GRANDEZZE CHE CARATTERIZZANO L’ONDA

Periodo (T)
Intervallo di tempo nel quale l’onda compie un’oscillazione completa e torna alla condizione iniziale, in altre parole il tempo che intercorre tra due oscillazioni.
Unità di misura: Secondi (s).

Frequenza (F)
Numero di oscillazioni complete compiute nel giro di un secondo.
Unità di misura: Hertz (Hz).

Ampiezza (A)
Massimo spostamento (o variazione dell’oscillazione) subito dalle particelle del mezzo rispetto alla loro posizione di equilibrio, uguale sia per gli spostamenti positivi che per quelli negativi.

Lunghezza d’Onda (λ)
Lunghezza di una singola onda calcolata come distanza tra due creste (punto più alto dell’onda) successive o ventri (punto più basso dell’onda) consecutivi.

Velocità (v)
Rapporto fra lo spazio percorso e il tempo impiegato a percorrerlo.

N.B.

l’argomento trattato riguarda principalmente le vibrazioni indotte, ovvero vibrazioni generate da una fonte esterna o da una perturbazione nel mezzo fisico.
Le vibrazioni intrinseche naturali invece si riferiscono alle vibrazioni innate di un oggetto, sistema o organismo, che esistono senza l’influenza di una fonte esterna.

A cura di Serena Giannini