Onda

È una parola di origine latina, che un tempo indicava soltanto la serie di oscillazioni cicliche che la superficie di una massa d’acqua compie per ristabilire l’equilibrio turbato da un intervento esterno (ad esempio, la caduta di un oggetto pesante o il vento). In realtà questo tipo di movimento vibratorio non avviene soltanto nell’acqua, ma in moltissimi altri materiali.
In termini più formali si può dire che l’o. è il meccanismo con cui l’energia si muove nello spazio, senza determinare il dislocamento dell’entità fisica interessata: questa vibra, oscilla, si espande e si contrae, ma rimane dov’è. È l’energia provocante l’oscillazione, che si sposta grazie a una catena continua di causa/effetto. Ad esempio, l’energia cinetica di un sasso, che cade in uno stagno, nel punto di impatto provoca una oscillazione nell’acqua, che si propaga poi sulla superficie con una serie di successivi avvallamenti e increspature ad andamento ciclico: a riva giunge soltanto l’oscillazione, mentre l’acqua – in ciascun punto della superficie – rimane dov’è.
In rapporto al modo in cui le o. si propagano si parla di o. sferiche, per indicare che l’oscillazione, avvenuta in un determinato punto, genera una successione di movimenti in tutte le direzioni (il suono nell’aria è un insieme di o. sferiche, per questo lo si sente in ogni direzione). Un raggio laser è invece un fascio di o. elettromagnetiche di tipo monodirezionale.
Nel fenomeno che stiamo considerando si notano due tipi di movimento, quello oscillatorio del materiale coinvolto (l’acqua che oscilla su e giù) e quello dell’energia che si muove nello spazio (in questo caso, dal punto di impatto del sasso ai bordi dello stagno). Tenendo conto del rapporto tra i due movimenti si distinguono due tipi di o.: o. con movimento longitudinale e o. con movimento trasversale. Del primo tipo è l’o. sonora: la successione di compressioni/espansioni dell’aria – di cui è fatto il suono – segue la stessa direzione in cui esso si propaga (vedi tavola). È invece un fenomeno ondulatorio a movimento trasversale quello, ad esempio, che si imprime a una corda tesa: la corda va su e giù, secondo un andamento perpendicolare allo spostamento dell’o. sulla corda tesa. Sono di tipo trasversale le o. sull’acqua e anche le o. elettromagnetiche. In ogni caso, ambedue i movimenti ondulatori sono rappresentati con una linea sinusoidale (vedi tavola), dove lo spostamento della linea ondiforme rispetto alla retta indica l’andamento della oscillazione, si tratti di compressione/espansione o di variazione del livello dell’acqua, della tensione elettrica o dell’intensità del campo magnetico.

Le caratteristiche più significative di un movimento ondulatorio sono la lunghezza d’o., la sua frequenza, la sua ampiezza e la velocità di spostamento dell’oscillazione.

• Per lunghezza d’o. si intende la distanza tra due creste successive; misura in metri lo spazio compiuto dall’energia in un ciclo completo dell’oscillazione. Come simbolo si usa la lettera greca λ (lambda).
• La frequenza (suo simbolo la lettera f ) è il numero di cicli che un’o. compie in un secondo; l’unità di misura è pari a un ciclo al secondo, un Hertz (abbreviato: Hz, dal nome del grande scienziato tedesco Heinrich Hertz, 1857-1894, i cui studi sono stati determinanti per la conoscenza delle o. elettromagnetiche).
• L’inverso della frequenza ( 1/ f ) è il periodo; è la durata di un ciclo: rappresenta il tempo in secondi perché una grandezza possa riprendere le stesse caratteristiche.
• L’ampiezza indica il massimo spostamento della vibrazione rispetto allo stato di quiete; esprime l’intensità dell’energia coinvolta e dunque sarà espressa nei termini con cui si misura quella determinata energia.
• Velocità di propagazione. Se di un fenomeno ondulatorio si conoscono la frequenza e la lunghezza d’o., se ne conosce anche la velocità (suo simbolo la lettera C ). Basta infatti moltiplicare lo spostamento compiuto durante un ciclo (la lunghezza di un’o.) per il numero di cicli fatti in un secondo. In termini matematici: C = λ × f.

La velocità dei movimenti ondulatori è una costante, che dipende dai materiali attraversati (decisive sono la loro densità e l’elasticità). Nel settore della comunicazione sono due i tipi di o. di grande interesse: il suono e le o. elettromagnetiche. Il suono nell’aria (a 20° centigradi, in assenza di umidità) compie 344 metri al secondo; nell’acqua la sua velocità è invece di 1,5 km al secondo; sale a 5 km/s quando si propaga attraverso l’acciaio. Enormemente superiore è la velocità con cui si spostano le o. elettromagnetiche: nel vuoto è di circa 300.000 km al secondo. Spesso si parla di questa velocità come fosse esclusiva della luce; in realtà è la velocità delle o. elettromagnetiche, soltanto che è stata misurata per la prima volta per la luce. In situazioni diverse dal vuoto tale velocità è inferiore di una quantità che dipende dalle caratteristiche del mezzo.