La velocità delle onde

Luce

Ma, le onde accelerano? Voglio dire, il suono appena prodotto parte istantaneamente con la sua velocità di circa 340 ms? E la luce? Per i corpi non è possibile un'accelerazione infinita. Nel caso delle onde meccaniche e/o elettromagnetiche cosa succede?

Antonio Salvio
1 maggio 2008

Una risposta sintetica è: le onde non "accelerano".  I fononi e i fotoni si propagano nel mezzo con una velocità che dipende dalle proprietà del mezzo (indice di rifrazione).


Una risposta più dettagliata invece richiede più spazio.


Per la velocità di propagazione delle onde bisogna innanzitutto distinguere tra velocità di fase e velocità di gruppo.
Citando da Wikipedia:
La velocità di fase è la velocità con cui si propaga la fase di un'onda, sia essa elettromagnetica o meccanica. La velocità di fase può essere visualizzata come la velocità di propagazione di una cresta dell'onda ma non coincide necessariamente con la velocità di propagazione di un segnale (che è più propriamente descritta dalla velocità di gruppo) e quindi può essere più alta della velocità della luce senza violare la relatività ristretta.


La velocità di fase viene definita come:
vp =ω/k
dove:  ω è la frequenza angolare e k è il numero d'onda
La velocità di gruppo di un'onda è la velocità con cui si propagano nello spazio le variazioni nella forma dell'ampiezza dell'onda; in altre parole è la velocità dell'inviluppo dell'onda. La velocità di gruppo è definita dall'equazione:
    vg =dω/dk


La velocità di gruppo è spesso considerata la velocità a cui l'energia o l'informazione sono trasportate dall'onda. In molti casi questa è una visione accurata, e la velocità di gruppo può essere pensata come la velocità di segnale della forma d'onda.


Quindi quella che viene quasi sempre indicata con velocità delle onde è la velocità di gruppo.


Veniamo al caso specifico delle onde sonore.


Il suono viene prodotto generando una variazione locale di pressione in un fluido (o in un solido) . La velocità con cui tale variazione viene generata dipende dal processo attuato (per esempio un colpo di tosse nell'aria o un colpo di martello sull'estremo di una barra di acciaio...).


Ma poi, terminata la perturbazione del mezzo dovuta alla azione, il mezzo (aria o metallo) rilassa e la perturbazione si propaga obbedendo alla equazione di propagazione dell'onda in quel mezzo.


Una velocità infinita (di propagazione di un segnale, e un'onda qualsiasi trasporta un segnale) è vietata dalla teoria della relatività.

Giacomo Torzo ICIS-CNR, Università degli Studi di Padova
Keywords: fisica

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