DISPENSE DI SCIENZE

CLASSI PRIME

SCUOLA SAN LUIGIGARBAGNATE MILANESE

corso del prof. Michele Liati

UNITÀ DUE

ONDE E SUONO

anno scolastico 2017-2018

Nota: La presente unità corrisponde all'unità 17 del volume A del testo “Accademia delle Scienze”. Contiene schede integrative e di approfondimento, riassunti e mappe concettuali e, in generale, tutto quello che è stato spiegato e fatto durante le lezioni di scienze, pertanto costituisce un utile strumento per prepararsi alle interrogazioni e alle verifiche. Queste dispense NON SOSTITUISCONO il libro di testo.Inoltre le parti più importanti sono tutte in STAMPATELLO, quindi ben leggibili anche per chi presenta maggiori difficoltà con i caratteri stampati.

Legenda dei colori: pagine con riquadro rosso : contengono gli argomenti più importanti da studiare.pagine con riquadro blu : costituiscono parti di approfondimentopagine con riquadro verde: descrivono esperienze pratiche fatte in classepagine con riquadro arancio: contengono riassunti e mappe

LE ONDE E IL MOTO OSCILLATORIO

DEFINIZIONE:

ONDA = PERTURBAZIONI DI TIPO OSCILLATORIO O VIBRATORIOPRODOTTE IN UN MEZZO ELASTICO, ATTRAVERSO CUI SI PROPAGAENERGIA, MA SENZA TRASPORTO DI MATERIA.

ATTENZIONE: L'ONDA TRASFERISCE ENERGIA. MA NON TRASPORTA MATERIA.

RAPPRESENTAZIONE DELLE ONDE

Prendiamo un pendolo e mettiamolo in oscillazione.Se potessimo tracciare la traiettoria del pendolo su un foglioscorrevole, l'oscillazione del pendolo disegnerebbe una linea ad“onda” detta SINUSOIDE.

Tale curva rappresenta quindi l'oscillazione in un determinato puntodello spazio al variare del tempo.

Ogni fenomeno di tipo oscillatorio o vibratorio può essere descrittoda una curva di questo tipo.

CARATTERISTICA DELLE ONDE

CRESTE: I PUNTI PIU' ALTI DELLA CURVA CHE RAPPRESENTA L'ONDA SI CHIAMANO 'CRESTE'

VENTRI: I PUNTI PIU' BASSI DELLA CURVA SI CHIAMANO 'VENTRI'

AMPIEZZA: RAPPRESENTA L'OSCILLAZIONE MASSIMA DELL'ONDA (VIENE DETTA ANCHE INTENSITA').

PERIODO: E' IL TEMPO IMPIEGATO PER COMPIERE UNA OSCILLAZIONE COMPLETA .IL PERIODO E' QUINDI IL TEMPO TRA DUE CRESTE O VENTRI, QUANDO L'ONDA E' RAPPRESENTATA RISPETTO ALLA VARIAZIONE NEL TEMPO.

rappresentazione di una oscillazione in un certo punto dello spazio, al variare del tempo

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FREQUENZA: E' IL NUMERO DI OSCILLAZIONI FATTE NELL'UNITA' DI TEMPO, OVVERO IN UN SECONDO. L'UNITA' DI MISURA DELLA FREQUENZA E' L'HERTZ (abbreviato Hz). LA FREQUENZA PUO' ESSERE OTTENUTA ATTRAVERSO IL PERIODO CON QUESTA SEMPLICE OPERAZIONE:

FREQUENZA = 1 / PERIODO (uno diviso il Periodo).

Ad esempio: Una oscillazione con periodo di 1 s , avrà una frequenza di 1 / 1 s = 1 Hertz.Una oscillazione con periodo 0,01 s , avrà una frequenza di 1 / 0,01 s = 100 Hertz.

LA CURVA SINUSOIDE PUO' RAPPRESENTARE ANCHE LE OSCILLAZIONI CHE SI PROPAGANO NELLO SPAZIO IN UN DATO ISTANTE. IN QUESTO CASO, LA CURVA EVIDENZIA UN' ALTRA GRANDEZZA MOLTOIMPORTANTE, LA LUNGHEZZA D'ONDA.

LUNGHEZZA D'ONDA: DISTANZA TRA DUE CRESTE O DUE VENTRI DI UN'ONDA CHE SI PROPAGA NELLO SPAZIO.

VELOCITA': IN GENERALE LA VELOCITA' E' IL RAPPORTO (DIVISIONE) TRA LO SPAZIO PERCORSO E IL TEMPO IMPIEGATO PER PERCORRERLO (pensa alla velocità di una automobile, per esempio di 100 Km orari – km/h - vuol dire che l'automobile può percorrere, a quella velocità, 100 km in un'ora).PER LE ONDE, CHE RICORDIAMO SI PROPAGANO NELLO SPAZIO, LA VELOCITA' INDICA LA DISTANZA PERCORSA DALL'ONDA NELL'UNITA' DI TEMPO.

Una formula molto importante che lega velocità, lunghezza d'onda e frequenza è questa:

velocità = frequenza x lunghezza d'onda

RICORDA:

ELASTICITA' : PROPRIETA' DI UN MATERIALE O UNA SOSTANZA DI DEFORMARSI SOTTO L'AZIONE DI UNA FORZA E POI RIACQUISTARE LA FORMA E LE DIMENSIONI ORIGINARIE.

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ONDE TRASVERSALI E ONDE LONGITUDINALI

ESISTONO DUE TIPI DI ONDE, A SECONDA DELLA DIREZIONE DI OSCILLAZIONE:

LE ONDE TRASVERSALI: L'OSCILLAZIONE AVVIENE IN DIREZIONE PERPENDICOLARE ALLA DIREZIONE DI PROPAGAZIONE DELL'ONDA (OSCILLAZIONE VERTICALE, PROPAGAZIONE ORIZZONTALE).

LE ONDE LONGITUDINALI: L'OSCILLAZIONE AVVIENE NELLA STESSA DIREZIONE DI PROPAGAZIONE DELL'ONDA.

ONDE STAZIONARIE

QUANDO UN'ONDA, PROPAGANDOSI IN UN MEZZO, INCONTRA UN OSTACOLO DI QUALCHE TIPO, VIENE “RIFLESSA”, CIOE' TORNA VERSO LA SORGENTE. ONDA 'PRINCIPALE' E ONDA RIFLESSA SI SOMMANO E POSSONO FORMARE ONDE STAZIONARIE.NELLE ONDE STAZIONARIE ALCUNI PUNTI RISULTANO FERMI – E SONO DETTI NODI.

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Esperienza fatta in classe

“VEDIAMO” LE ONDE

Scopo: comprendere le caratteristiche delle onde.

Descrizione: ci serviamo di una molla di plastica per creare e visualizzare due tipi di onde:le onde di tipo trasversale e le onde di tipo longitudinale.

Nelle onde di tipo trasversale l'oscillazione avviene in un piano che è perpendicolare (verticale) rispetto alla propagazione dell'onda(orizzontale).

Se metto in oscillazione un estremo dellamolla, con l'altro estremo tenuto fermo,trasmetto questa oscillazione lungo tutta la molla.

L'oscillazione, incontrando l'estremo fermo, viene “riflessa”; l'onda riflessa si “somma” all'onda principale e può dare vita a “onde stazionarie”.

Nelle onde di tipo longitudinale l'oscillazione avviene nella stessa direzionedi propagazione dell'onda.

Se spingo un estremo della molla avanti eindietro, verso l'altro estremo tenuto fermo,si formerà un onda longitudinale.L'onda è visibile attraverso la formazione dizona in cui le spire della molla sono piùvicine tra di loro e altre dove sono piùlontane.

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DIREZIONE DI OSCILLAZIONE

DIREZIONE DI PROPAGAZIONE

DELL'ONDA

DIREZIONE DI PROPAGAZIONE DELL'ONDAUGUALE ALLA DIREZIONE DI OSCILLAZIONE

Esperienza fatta in classe

“VEDIAMO” LE ONDE

Scopo: visualizzare le onde e alcune sue caratteristiche e proprietà attraverso una esperienza pratica.

Descrizione: utilizziamo per questa esperienza un “mezzo elastico” costruito con tante cannucce (da bibita) appesantite con viti da legno e 'legate' insieme con nastro da pacchi e nastro isolante.Il nastro costituisce il “mezzo meccanico” che fornisce “elasticità” a tutti gli elementi.

Mettiamo in tensione questo nastro fissandolo ai due estremi. Mettiamo in oscillazione un estremo, o percuotiamo semplicemente una parte del “mezzo”. Le cannucce si metteranno in oscillazione: alzandosi e abbassandosi, e “trascineranno” in questo movimento anche le cannucce ad esse vicine.In questo modo, questa “perturbazione” si trasmette lungo tutto il “mezzo elastico”, creando un'onda.Se continuiamo a mettere in oscillazione una estremità, si formeranno diverse creste e ventri lungo tutto il nastro.

Quando l'onda giunge ad un estremo, che è fissato e quindi non può oscillare come il resto del 'mezzo', l'onda viene 'riflessa', ovvero torna indietro e si 'sommerà' con quella che proviene dall'altradirezione.

Con questa esperienza è possibile evidenziare le varie caratteristiche di un'onda: creste e ventri, ampiezza e velocità di propagazione, periodo e frequenza, lunghezza d'onda.

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MAPPA CONCETTUALE

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LE ONDE

PERTURBAZIONI OSCILLATORIE O VIBRATORIEPRODOTTE IN UN MEZZO ELASTICO

SI RAPPRESENTANO CON

CURVA SINUSOIDE

TIPI

ONDE TRASVERSALI

ONDE LONGITUDINALI

GRANDEZZE

PERIODO

FREQUENZA

VELOCITA'

AMPIEZZA

LUNGHEZZAD'ONDA

IL SUONO

IL SUONO E' IL PRODOTTO DELLE VIBRAZIONI DI UN CORPO CHE VENGONO TRASMESSE SOTTO FORMA DI ONDE MECCANICHE, DETTE ONDE SONORE, CHE SI PROPAGANO IN TUTTE LE DIREZIONI.

IL SUONO SOLITAMENTE SI PROPAGA ATTRAVERSO L'ARIA, MA LE ONDE SONORE POSSONO TRASMETTERSI ANCHE ATTRAVERSO ALTRI MEZZI ELASTICI (LIQUIDI E SOLIDI).

PER TRASMETTERSI LE ONDE SONORE HANNO BISOGNO DI UN MEZZO ELASTICO, PER CUI NEL VUOTO NON POSSIAMO AVERE PROPAGAZIONE DEL SUONO.

LE ONDE SONORE NELL'ARIA SONO DI TIPO LONGITUDINALE.

VELOCITA' DEL SUONO

LA VELOCITA' DI PROPAGAZIONE DEL SUONO DIPENDE DALLE CARATTERISTICHE FISICHE DEL MEZZO DI PROPAGAZIONE DELLE ONDE SONORE, IN PARTICOLARE DALLA SUA DENSITA'.MAGGIORE E' LA DENSITA' DEL MEZZO, MAGGIORE SARA' LA VELOCITA' DI PROPAGAZIONE DELLE ONDE SONORE.Ad esempio: la velocità del suono nell'aria è di 340 m/s (metri al secondo),la velocità del suono nell'acqua è circa 1500 m/sla velocità del suono attraverso il legno è circa 3500-4000 m/s.

LA RISONANZA

LA RISONANZA E' IL FENOMENO DELLA TRASMISSIONE DELLE VIBRAZIONI DI UNA SORGENTE SONORA A UN ALTRO CORPO CHE INIZIA ANCH'ESSO A VIBRARE ALLA STESSA FREQUENZA.

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Esperienze fatta in classe

L'ELASTICITA' DELL'ARIA

Scopo: verificare che l'aria è comprimibile e possiede elasticità.

Descrizione: Prendiamo una molla metallica, e proviamo a comprimerla con due dita. La molla si schiaccerà, ma faremo sempre più fatica se vogliamo schiacciarla di più.

Quando la lasciamo andare, inoltre, la molla tornerà alle dimensioni originarie.

La molla quindi crea una forza contraria a quella prodotta da noi, che si oppone alla nostra forza quando la schiacciamo e la fa tornare alle dimensioni di partenza quando la nostra forza non agisce più. Questa proprietà si chiama ELASTICITA'.

ELASTICITA': PROPRIETA' DI UN MATERIALE O UNA SOSTANZA DI DEFORMARSI SOTTO L'AZIONE DI UNA FORZA E POI RIACQUISTARE LA FORMA E LE DIMENSIONI ORIGINARIE.

Ora prendiamo una siringa di plastica, senza ago. Aspiriamo un po' d'aria tirando indietro lo stantuffodella siringa. Chiudiamo il foro di uscita della siringa con un dito, e proviamo a spingere lo stantuffo. L'aria si comprime, ma facciamo sempre più fatica se vogliamo comprimerla di più. Inoltre, quando lasciamo andare lo stantuffo, tenderà a tornare nella posizione di partenza.

L'aria si è comportata esattamente come la molla.Anche l'aria quindi è dotata di ELASTICITA' ed è proprio questa elasticità che permette la propagazione delle onde sonore nell'aria.

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Esperienza fatta in classe

(che si può rifare a casa)

LA RISONANZA DEI PENDOLI

Scopo: comprendere cosa sia la risonanza attraverso il comportamento dei pendoli.

Descrizione: Prendiamo tre pendoli, due di lunghezza uguale euno di lunghezza diversa. Sospendiamo tutti i pendoli ad una corda o elastico, e facciamo oscillare uno dei due pendoli di lunghezza uguale.I due pendoli, inizialmente fermi, risentono delle vibrazioniprodotte dall'oscillazione del pendolo che si trasmettonoattraverso la corda o elastico, ma solo il pendolo di lunghezza uguale inizia ad oscillare, e sempre con maggiore ampiezza.Il primo pendolo ad un certo punto sembrerà fermarsi, mentre il secondo compie oscillazioni più ampie. Poi il “trasferimento” dell'oscillazione inverte direzione: il secondo pendolo fa oscillare il primo e diminuisce le sueoscillazioni.

Spiegazione: questo fenomeno si verifica proprio per“risonanza”: entrambi i pendoli inizialmente fermi “sentono” le vibrazioni oscillatorie, ma solo quellodella stessa lunghezza si mette in “risonanza” col primo.

RISONANZA, DIMENSIONI E FREQUENZENEGLI STRUMENTI MUSICALI

Descrizione: Prendo tre palle di Natale, senza il loro“gancio”. Provo a soffiare dentro una pallina. La pallina “risuona” producendo una certa nota. Se uso una pallina più piccola produrrò un suonopiù alto (frequenza più alta).Se uso la pallina più grande, un suono più grave(frequenza più bassa).

Spiegazione: anche questo fenomeno si deve allarisonanza.Le palline sono quindi dei “risonatori”. Soffiandometto in vibrazione l'aria all'interno delle palline.Questa vibrazione crea una oscillazione di risonanzache dipende dalle dimensioni dei risonatori.Le diverse note, quindi, non dipendono dal soffio da me prodotto, ma dalle caratteristiche – dimensioni – dei risonatori.Lo stesso avviene negli strumenti musicali veri e propri.

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LE CARATTERISTICHE DEL SUONO

IL SUONO SI CARATTERIZZA PER :

INTENSITA' : (DETTO ANCHE VOLUME DEL SUONO) INDICA SE UN SUONO E' FORTO O DEBOLE. L'INTENSITA' CORRISPONDE ALL'AMPIEZZA DELLE ONDE CHE PRODUCONO IL SUONO. MAGGIORE E' L'AMPIEZZA, PIU' FORTE, INTENSO E' IL SUONO. MINORE E' L'AMPIEZZA, PIU' IL SUONO RISULTA DEBOLE.

L'INTENSITA' DI UN SUONO SI ESPRIME IN DECIBEL (simbolo dB).SUONI OLTRE 130-140 DECIBEL RISULTANO DOLOROSI E POSSONO PROVOCARE DANNI ALL'UDITO.

FREQUENZA. LA FREQUENZA CORRISPONDE ALL'ALTEZZA DI UN SUONO. SUONO ALTI, ACUTI, HANNO ALTE FREQUENZE, SUONI PIU' BASSI, GRAVI, FREQUENZE BASSE.LA FREQUENZA SI MISURA IN HERTZ (simbolo Hz).

TIMBRO: NOTE CHE HANNO LA STESSA ALTEZZA, QUINDI CON IDENTICA FREQUENZA, MA SUONATE DA STRUMENTI DIVERSI (CHITARRA, FLAUTO, VIOLINO, PIANO , ETC.) RISULTANO COMUNQUE DIVERSE AL NOSTRO ORECCHIO, E CI PERMETTONO DI RICONOSCERE IL SUONO DI UNO STRUMENTODA QUELLO DI UN ALTRO STRUMENTO. QUESTO AVVIENE PERCHE' QUANDO UNO STRUMENTO SUONA UNA CERTA NOTA, CHE POSSIAMO CHIAMARE 'FONDAMENTALE', QUELLA NOTA 'CONTIENE' IN REALTA' TANTE ALTRE FREQUENZE, DETTE ARMONICHE, MULTIPLE DELLA FREQUENZA FONDAMENTALE.E' L'INSIEME DI TUTTE QUESTE ARMONICHE CHE COSTITUISCE IL TIMBRO DI UN SUONO.

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COME SI FORMANO LE “ARMONICHE”

Prendiamo una corda tesa (come gli elastici della nostra prima esperienza), se messa in “vibrazione” produrrà un certosuono, una certa frequenza. Ad esempio,pensiamo, ad un DO.La corda compie quella vibrazione, producequella nota, perché quella corda possiedeun certo “modo normale di vibrazione”, equesto modo di vibrazione è dato da unacerta onda stazionaria che si forma sullacorda, in cui i due estremi della corda sonofermi – nodi – mentre l'oscillazionemaggiore si compie al centro della corda.

Ma la corda possiede molteplici “modi di vibrazione”, può vibrare in diversi “modi”: può formare cioè diverse onde stazionarie: con tre nodi, quattro, cinque..etc.

Ogni “modo” produce una frequenza multipla di quella fondamentale. Questi “modi” sono appunto le “armoniche”.

Sono queste armoniche che, insieme, costituiscono il TIMBRO di uno strumento.

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“VEDIAMO” IL TIMBRO DI UNO STRUMENTO

Per comprendere meglio cosa sia il “timbro” di uno strumento si può utilizzare un programma che scompone i suoni nelle varie frequenze che lo compongono, detto spettrometro (sonoro).Noi abbiamo utilizzato una applicazione (libera nella versione demo) chiamata WavePad.

Ecco la rappresentazione di una scala fatta con un flauto.Queste “macchie” sono le note: DO-RE-MI-FA-SOL-LA-SI-DO, ovvero le ondecorrispondenti a quelle note. Certo non assomigliano alle curve (sinusoidi) viste finoad ora, ma solo perché – avendo frequenze moltoelevate – le onde risultano molto “compattate”.Basterà cambiare “scala” del grafico per riconosceremeglio le onde.

Ed ecco le frequenze che compongono unRE eseguito con un flauto.

Qui “picchi” nei grafici costituiscono lediverse “armoniche” della nota suonata,ovvero, nel loro insieme, il TIMBRO dellostrumento.

Confrontiamolo con un RE eseguito conuna chitarra acustica. Qui a fianco.

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COSTRUZIONE DI UNO STRUMENTO A “MEMBRANA VIBRANTE”

Nel corso delle varie esperienze presentate in classe durante le lezioni sul Suono ho utilizzato anche uno strumento musicale “artigianale” somigliante ad un flauto, nel quale l'elemento “vibrante” che genera il suono è costituito da una membrana vibrante.

Tale “strumento” è utile per comprende quanto sia importante – e come può funzionare – la “sorgente” della vibrazione in uno strumento musicale.

Per chi volesse provare a costruirlo – possibilmente con l'aiuto di un adulto - può trovare le indicazioni su Youtube nel video “costruzione di un membranofono” (clicca sul link – esterno – per vedere il video)Lo strumento da me utilizzato prende spunto da quelle indicazioni, con diverse modifiche.In particolare, per il “bicchiere” più grande ho utilizzato una confezione di gomme da masticare. Per il tubo “risonante” è sufficiente arrotolare del cartoncino. Nel tubo ho poi ricavato alcuni fori per ottenere diverse note. Per la membrana ho utilizzato un pezzo di plastica preso da un sacchetto (biodegradabile, più leggero). La tensione della membrana va poi regolata per dare il suono migliore.

Buon lavoro.

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VIDEO E PROGRAMMI UTILIZZATI DURANTE LE LEZIONI

Durante le lezioni sul suono abbiamo visto i seguenti video (per chi volesse rivederli):

Suono e onde sonore (clicca sul link – esterno – per vedere il video)

Paperino nel mondo delle Matemagica

Abbiamo inoltre utilizzato i seguenti programmi e applicazioni.

WavePad di NCH Software (programma free nella versione demo)

Generatore di frequenze online

Fonometro (sound meter) (app di google play)

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MAPPA CONCETTUALE

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IL SUONOPRODOTTO DELLE VIBRAZIONI

DI UN CORPO ELASTICO

CARATTERISTICHE

INTENSITA'

TIMBRO

FREQUENZA

SUONI PIU' FORTI O PIU' DEBOLI

DECIBEL

SUONI PIU' ALTI (ACUTI)O PIU' BASSI (GRAVI)

INSIEME DELLE ARMONICHE (FREQUENZE)CHE COSTITUISCONO UN SUONO

HERTZ