Onde stazionarie

Onde stazionarie: caratteristiche

Le caratteristiche principali delle onde stazionarie sono:

• Ampiezza locale: a seconda dal tipo delle onde che si sovrappongono, ogni punto ha determinati valori massimi e minimi di ampiezza.
• Presenza di nodi: esistono dei nodi, ovvero punti in cui lo stato di vibrazione è nullo e costante nel tempo. I punti che oscillano in modo continuo e raggiungono la massima ampiezza possibile sono chiamati antinodi (o ventri dell'onda).
• Punti in fase: i punti tra due nodi oscillano in fase, cioè oscillano contemporaneamente nella stessa direzione (con ampiezze diverse). I punti ai lati di un nodo oscillano con fasi opposte, cioè oscillano simultaneamente in direzioni opposte (con ampiezze diverse).
• Trasmissione di energia: non c'è trasmissione di energia nella direzione di propagazione delle onde originali, poiché la trasmissione le due onde che generano un'onda stazionarie si muovono in direzioni opposte.
• Velocità d'onda: non esiste una velocità globale netta dell'onda poiché le due onde che viaggiano in direzioni opposte si neutralizzano a vicenda. Scopriamo che la velocità di ogni punto è specifica e trasversale alla direzione di propagazione delle onde originali.

Un esempio pratico di onda stazionaria sono le corde di una chitarra. Quando una corda di chitarra viene premuta contro un tasto e si effettua una plettrata, si genera un'onda che raggiunge il tasto, viene riflessa e torna indietro. Questa riflessione genera un'onda che viaggia in direzione opposta e che, insieme all'onda che viaggia nell'altra direzione, forma l'onda stazionaria. L'estremità della corda e il contatto con il tasto sono i nodi dell'onda stazionaria.

Fig. 3 - Un'onda stazionaria vista come sovrapposizione di due onde (quella blu e quella rossa).

Differenza tra onde stazionarie e onde progressive

La caratteristica che definisce le onde progressive è che avanzano nello spazio, cosa che non avviene nel caso delle onde stazionarie. D'altra parte, poiché un'onda stazionaria è formata dalla sovrapposizione di onde che viaggiano in direzioni opposte, non c'è movimento nella direzione di propagazione, ma quasi tutti i punti si spostano perpendicolarmente ad essa.

Onde stazionarie: applicazioni

L'applicazione principale delle onde stazionarie è la generazione di suoni a frequenza specifica. La particolarità degli strumenti musicali è che, grazie ai modelli di interferenza, non solo una certa frequenza viene generata come onda stazionaria, ma altre frequenze correlate vengono amplificate. Questo è ciò che costituisce una nota musicale e il meccanismo per cui la musica è armoniosa. Queste altre onde stazionarie sono quindi chiamate "armoniche" e corrispondono alle onde presenti nella Figura 4 dopo quella superiore.Tuttavia, non tutte le applicazioni delle onde stazionarie sono limitate alla musica e alle onde sonore. Il funzionamento di un microonde, ad esempio, è semplice: un'onda stazionaria con una certa lunghezza d'onda viene generata tra due pareti del microonde. Se, ad esempio, togliessimo il piatto rotante del microonde, otterremmo del cibo cotto solo nelle posizioni di massimo dell'onda stazionaria generata.Come ultimo esempio, citiamo il fatto che molti sistemi quantistici fondamentali del nostro mondo sono costituiti da onde stazionarie. Per esempio, la distribuzione di base di un elettrone in un atomo di idrogeno è determinata da un certo insieme di disposizioni d'onda stazionarie chiamate "armoniche sferiche".

Fig. 4 - Le armoniche di un'onda stazionaria: partendo dall'alto avremo la prima armonica (chiamata anche fondamentale), la seconda armonica, e così via.