In fisica, unonda è una perturbazione che nasce da una sorgente e si propaga trasportando energia, senza comportare un associato spostamento di materia.Treccani Dal punto di vista matematico, è descritta dell'equazione delle onde, o da sue più complicate varianti, la cui espressione varia a seconda del tipo di perturbazione.
Un'onda può propagarsi in un mezzo materiale o nel vuoto. Ad esempio, l'onda elettromagnetica e l'onda gravitazionale possono propagarsi anche in assenza di materia, mentre altri fenomeni ondulatori esistono unicamente in un mezzo fisico (onda marina, onda sonora, onda sismica ecc.), che deformandosi produce le forze di ritorno: elastiche, legate alla gravità, pressione o tensione superficiale, che ne permettono la propagazione. Quando incontrano un ostacolo le onde possono generare vari effetti, come la riflessione, la rifrazione, la diffusione, la diffrazione, l'interferenza. Onde di tipo non lineare possono dare luogo a fenomeni più peculiari, come i solitoni o la turbolenza d'onda, che costituiscono un campo di ricerca in espansione in diverse branche della fisica.
In fisica classica i fenomeni ondulatori sono contrapposti ai fenomeni corpuscolari: l'onda appare come un fenomeno fisico "delocalizzato" rispetto alle traiettorie seguite dalle particelle. A partire dalla meccanica quantistica, si assiste all'unificazione delle due classi di fenomeni, con l'introduzione del dualismo onda particella e del principio di complementarità. Questo dualismo implica che a livello microscopico le particelle possiedono anche proprietà ondulatorie e che certi tipi di onde possono essere trattati come particelle (si parla in questo caso di quasiparticelle). Esempi di quasiparticelle sono i fononi (onde sonore quantizzate), i magnoni (quantizzazione di un'onda di spin) o i plasmoni (quantizzazione delle oscillazioni in un plasma).
Definizione Non è semplice dare una definizione autonoma e precisa del termine onda, sebbene questo termine sia comunemente molto usato in contesti molto differenti fra loro. La definizione delle caratteristiche necessarie e sufficienti che identificano il fenomeno ondulatorio è flessibile. Intuitivamente il concetto di onda è qualificato come il trasporto di una perturbazione nello spazio senza comportare un trasporto netto della materia del mezzo, qualora presente, che occupa lo spazio stesso. I fisici Albert Einstein e Leopold Infeld hanno cercato di rispondere alla domanda "Cos'è un'onda?" unendo questo fatto all'esperienza comune:
Una vibrazione può essere definita come il moto avanti e indietro intorno a un punto definito x, tuttavia una vibrazione non è necessariamente un'onda. Infatti in un'onda sulla superficie dell'acqua, oppure lungo una stringa, l'energia vibrazionale si muove dalla sorgente sotto forma di perturbazione senza un moto collettivo delle particelle dell'acqua o della corda in cui si propaga. Questa rappresentazione diventa però problematica quando si ha a che fare con le onde stazionarie (per esempio le onde sulle corde di una chitarra), dove l'energia in tutte le direzioni è identica e non viene trasportata lungo lo spazio, perciò talvolta nella definizione di onda si cita solamente la propagazione di un disturbo senza richiedere il trasporto di energia o quantità di moto. Per le onde elettromagnetiche (ad esempio la luce) bisogna considerare ulteriormente che il concetto di mezzo non può essere applicato, in quanto queste si propagano anche nello spazio vuoto.
Per queste ragioni la teoria delle onde rappresenta una particolare branca della fisica teorica riguardante lo studio delle onde indipendentemente dalla loro origine fisica. Questa peculiarità deriva dal fatto che la teoria matematica delle onde si può applicare per descrivere fenomeni ondulatori in contesti anche molto differenti. Per esempio l'acustica si distingue dall'ottica per il fatto che la prima si occupa del trasporto vibrazionale di energia meccanica, mentre la seconda di perturbazioni del campo elettrico e magnetico. Concetti come massa, inerzia, quantità di moto, elasticità diventano quindi cruciali per descrivere i processi ondulatori acustici, al contrario dell'ottica. La struttura particolare del mezzo introduce inoltre alcuni fattori di cui bisogna tenere conto, come ad esempio i fenomeni vorticosi per l'aria e l'acqua o la complessa struttura cristallina nel caso di alcuni solidi.
Altre proprietà tuttavia possono essere usate per descrivere indifferentemente tutti i tipi di onde. Per esempio, basandosi sull'origine meccanica delle onde acustiche, ci può essere un movimento nello spazio e nel tempo di una perturbazione se e solo se il mezzo non è né infinitamente flessibile né infinitamente rigido. Se tutte le parti che compongono il mezzo si dispongono in modo rigido l'una rispetto all'altra, non sarà possibile alcun movimento infinitesimo e quindi non ci sarà alcuna onda (ad esempio l'idealizzazione del corpo rigido). Al contrario, se tutte le parti sono indipendenti l'una dall'altra senza alcun tipo di interazione reciproca, non vi sarà alcuna onda in quanto non ci sarà trasmissione di energia fra le varie parti componenti del corpo. Nonostante queste considerazioni non si possano applicare alle onde che non si propagano in alcun senso, si possono comunque trovare caratteristiche comuni a tutte le onde: ad esempio, in un'onda la fase è differente per punti adiacenti nello spazio, perché la vibrazione raggiunge questi punti in tempi differenti.
Similmente, alcuni fenomeni che si sono scoperti in determinati contesti, sono poi stati generalizzati ad altri fenomeni ondulatori. L'interferenza è stata studiata da Young nel caso particolare delle onde luminose, tuttavia è stata recentemente analizzata in alcuni problemi riguardanti le proprietà atomiche quantistiche dell'elettrone.
Studio
Un'onda può essere caratterizzata da una singola oscillazione oppure da un treno o successione di onde aventi caratteristiche simili, come ad esempio la periodicità intrinseca. In generale le onde sono caratterizzate da una cresta (punto alto), da un ventre (punto più basso) e da fronti d'onda di propagazione nel caso di treni di onde e sono in prima istanza classificabili come longitudinali o trasversali. Nelle onde trasversali la vibrazione è perpendicolare alla direzione di propagazione (ad esempio le onde su una corda, le parti infinitesime si muovono in alto e in basso in verticale, mentre l'onda si propaga orizzontalmente).
Le onde longitudinali sono invece caratterizzate da una vibrazione concorde con la direzione di propagazione dell'onda (ad esempio le onde sonore, le particelle dell'aria si muovono infinitesimamente nella stessa direzione di propagazione del suono). Esistono onde che sono sia longitudinali che trasversali e sono dette onde miste (ad esempio le onde sulla superficie del mare). Parametri di riferimento di un'onda sono l'ampiezza, la lunghezza d'onda, il periodo, la frequenza, la fase, la velocità di propagazione, l'energia e la potenza ad essa associata. Per quanto riguarda la velocità di un'onda sono definibili la velocità di fase e la velocità di gruppo.
Tipi di onde
A seconda delle caratteristiche, le onde si possono classificare in molti modi:
Riguardo al tipo di mezzo:
Onde meccaniche: si propagano esclusivamente in mezzi materiali diversi dal vuoto, in quanto sfruttano le proprietà di deformazione del mezzo per la loro propagazione, in quanto tali deformazioni innescano forze di richiamo che possono essere di tipo elastico (onde elastiche, tipiche dei solidi), gravitazionale (onde marine), o di altro tipo (legate ad esempio alla tensione superficiale o a variazioni di pressione). Onde non meccaniche: possono propagarsi in mezzi non materiali, cioè nel vuoto (onde elettromagnetiche e onde gravitazionali).Onde Elastiche E Acustica .
Riguardo alle dimensioni del mezzo in cui si propagano:
Onde unidimensionali o lineari (es. oscillazione di una corda) Onde bidimensionali (es. onde circolari su una superficie d'acqua) Onde tridimensionali (es. onde sonore)
Riguardo alla direzione del moto di oscillazione rispetto a quella di propagazione:
Onde longitudinali, in cui il movimento oscillatorio avviene nella direzione parallela rispetto a quella del moto complessivo dell'onda (ad esempio onde di pressione) Onde trasversali, in cui il movimento oscillatorio avviene nella direzione perpendicolare rispetto a quella del moto complessivo dell'onda (es. onda elettromagnetica) Onde miste, dove il moto di vibrazione avviene in tutte le direzioni (es. onde marine)
Riguardo alla propagazione:
onde piane (es. onda su superficie d'acqua) onde sferiche (es. onda di pressione) onde cilindriche
A seconda del mezzo in cui si propagano e della caratteristica fisica che usiamo per rappresentarle:
onde elastiche o di spostamento, in cui poniamo l'attenzione sullo spostamento vettoriale. "onda di densità", se studiamo la densità volumica e per questo ne è associata un'"onda di pressione". radiazione elettromagnetica, che riguarda un insieme di onde come luce, onde radio, raggi ultravioletti, raggi X appartenenti allo spettro elettromagnetico e nel cui caso la propagazione non ha bisogno di un mezzo, cioè le onde associate possono propagarsi nel vuoto.
Alcune onde caratteristiche sono:
suono - un'onda meccanica che si propaga attraverso gas (in genere aria), liquidi o solidi, la cui frequenza può essere percepita dall'apparato uditivo. Dello stesso tipo sono le onde sismiche create dai terremoti che possono essere di tipo S, P o L. onde oceaniche di superficie - perturbazioni che si propagano nell'acqua (vedi anche onda marina, onda anomala, tsunami). Sono un caso particolare di onde di gravità (da non confondersi con le onde gravitazionali), ossia onde che si propagano all'interfaccia tra due fluidi con densità diversa, in cui la forza di richiamo è appunto la forza di gravità. Un altro esempio di onde di gravità sono le onde interne. onde capillari - ossia onde che si propagano sulla superficie di un fluido, in cui la forza di richiamo è data dalla tensione superficiale. Si distinguono dalla onde di gravità di superficie a causa della loro lunghezza d'onda tipicamente molto minore (almeno nell'acqua). onde gravitazionali - fluttuazioni del campo gravitazionale. La loro esistenza è stata prevista dalla relatività generale. Queste onde sono non lineari. onde elettromagnetiche - fluttuazioni del campo elettromagnetico. La loro esistenza è stata prevista da Maxwell. Esempi sono la luce e le onde radio.
Mezzi di propagazione Il mezzo in cui le onde viaggiano può essere classificato a seconda delle seguenti proprietà: Mezzo limitato se ha un'estensione finita (altrimenti viene chiamato illimitato) Mezzo omogeneo se le proprietà fisiche del mezzo in un suo punto qualsiasi non cambiano a seguito di una traslazione (spostamento rettilineo) da quel punto Mezzo isotropo se le proprietà fisiche del mezzo in un suo punto qualsiasi non cambiano a seguito di una rotazione da quel punto. Affermare che un mezzo è isotropo equivale a dire che "è lo stesso" in tutte le direzioni (altrimenti viene chiamato anisotropo)
Durante la propagazione nel mezzo l'onda è soggetta ad attenuazione da parte del mezzo fino all'esaurimento dell'energia trasportata.
Effetti
Tutte le onde hanno un comportamento comune in situazioni standard e possono subire i seguenti effetti o fenomeni: Attenuazione dell'ampiezza durante la propagazione nel mezzo. Riflessione, il cambio di direzione di propagazione a causa di uno scontro con un materiale riflettente. Rifrazione, il cambio di direzione di un'onda causata dal cambio del mezzo di propagazione (ad esempio di densità diversa). Diffrazione, la diffusione delle onde, per esempio quando passano attraverso una fessura stretta. Dispersione, la divisione di un'onda in sotto onde in dipendenza della loro frequenza.