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Titolo: Onde Acustiche e Onde Elettromagnetiche

Buongiorno a tutti...
So qualcosa sulle onde elettromagnetice... ma so ben poco sulle onde
acustiche....
Quali differenze (oltre al fatto che per le prime l'esistenza di un mezzo è
condizione sufficiente e per le seconde condizione necessaria)
e Quali le similitudini?...
Esiste un formalismo comune?
Grazie Ciao!

 Esiste un formalismo comune?
L'equazione delle onde.

 Esiste un formalismo comune?
 Esistono anche lenti che focalizzano entrambi i tipi di onde. Se lo
trovi, leggi il libretto "onde sonore e onde luminose", di W.E. Kock,
pubblicato nella meritoria BMS (Biblioteca di Monografie Scientifiche)
della Zanichelli, nel lontano 1966 (magari l'hanno ristampato).
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Ilaria nel suo articolo del 23 marzo chiede quali
sono le somiglianze e le differenze tra onde sonore
e onde elettromagnetiche.
Cara Ilaria, credo che la tua domanda attirerà una 
valanga di risposte perchè l'argomento è appassionante
(le onde ricoprono un ruolo capitale nella fisica sia 
classica che moderna) e la ricerca di analogie tra fenomeni 
diversi è un esercizio stimolante per il pensiero, un esercizio
che nella storia della fisica (e non solo in quella) ha portato
a errori ma anche, e più spesso, alla formulazione di nuovi
modelli teorici utili al progresso sia tecnico che concettuale.
Pertanto, a fianco delle altre risposte che avrai, leggi anche 
questa e considerala, assieme alle altre, come il tassello di 
un mosaico armonioso che, mi auguro, contribuirà ad 
alimentare il tuo interesse per quella scienza meravigliosa
e terribile che si chiama Fisica.
E dopo questo slancio lirico, vengo al sodo: 
Per brevità chiamerò onde S le onde sonore, e onde EM le onde
elettromagnetiche.
Premetto che in natura esistono due tipi fondamentali di onde:
le trasversali T, e le longitudinali L. In tutte e due c'è qualcosa
che oscilla, ma mentre nelle T l'oscillazione è perpendicolare
alla direzione di propagazione, nelle L l'oscillazione avviene
nella stessa direzione nella quale avviene la propagazione.
Per esempio: le onde che si producono agitando una corda
sono onde T, quelle che si propagano lungo una molla quando
un'estremità viene ritmicamente tirata e lasciata sono di tipo L.  
Fatta questa distinzione molto importante, eccoti la prima 
differenza tra onde S e onde EM;   
Le onde  EM  sono sempre (sottolineo, sempre) di tipo T,
mentre invece le onde S nei gas e nei liquidi sono sempre
di tipo L ;  solamente nei solidi si possono trovare onde S T
(questo perchè i solidi -- a differenza dei gas e dei liquidi --
sono capaci di reagire elasticamente anche alle sollecitazioni 
tangenziali, che modificano la forma ma non il volume).  
Detto più concretamente: le onde EM sono come dice il nome
oscillazioni di campi elettrici ( E ) e magnetici ( M ) nel vuoto; 
il campo E  è sempre perpendicolare alla direzione di propagazione
(se l'onda viaggia da nord a sud, E vibra da est a ovest )
La stessa cosa fà il campo M; insomma mentre l'onda và
dritta in avanti, E ed M oscillano " di traverso "; da questa
oscillazione " di traverso " viene il nome " trasversale "
Invece, nelle onde S abbiamo particelle che vanno avanti e indietro
lungo la stessa linea in cui avviene lo spostamento dell'onda;
 " lungo " la stessa linea, e da qui viene il nome " longitudinali " 
(immagino dal latino longus = lungo; ma bisognerebbe chiedere
al NG it.filologia classica, se c'è).
 
La seconda differenza è quella che hai già detto tu, cioè 
le onde L si propagano nel vuoto mentre le onde S hanno
bisogno di un supporto materiale. 
Immagino ci siano altre differenze, ma adesso guardiamo
le somiglianze:
il suono che proviene da una sorgente puntiforme si attenua 
col quadrato della distanza, e così anche la luce.
La spiegazione di questo fatto è che entrambi i tipi di onde 
si propagano nello spazio a tre dimensioni; l'energia dell'onda
si distribuisce sopra superfici sferiche centrate nella sorgente, 
e di raggio uguale alla distanza dalla sorgente. 
L' area della sfera è proporzionale al quadrato del raggio e quindi
l'energia dell'onda  a distanza d dalla sorgente, dovendosi 
diluire su tutta la superficie sferica di raggio d, diventerà più
debole in ragione del quadrato di d (ahimè, che brutta spiegazione,
ma senza fare disegni non riesco a essere più chiaro).     
Se fossimo esseri bidimensionali costretti a vivere come ombre 
su una superficie piana le cose invece andrebbero così: il suono 
( e anche la luce) si propagherebbe con cerchi concentrici
e la loro intensità diminuirebbe con la prima potenza della distanza
(perchè la circonferenza di un cerchio è proporzionale alla 
prima potenza del raggio). Se invece vivessimo in quattro dimensioni
l'intensità diminuirebbe col cubo della distanza, cioè molto 
più rapidamente, e faremmo più fatica sia a vederci che ad 
ascoltarci.
Una seconda somiglianza è che le leggi della riflessione,  
rifrazione, diffrazione (e interferenza) sono le stesse sia
per la luce che per il suono. 
Una terza somiglianza è che sia le onde S che le  EM 
obbediscono al principio di sovrapposizione.
Per esempio: prendi due torce elettriche e accendile;
hai prodotto due fasci luminosi. Ora incrocia i due fasci, 
e vedrai che passano uno attraverso l'altro senza rompersi, 
senza deviare, senza rimbalzare uno sull'altro;
ognuno si comporta come se l'altro non esistesse, si ignorano, 
tirano dritto per la propria strada.
La stessa cosa accade per il suono.
Una quarta somiglianza (la più importante di tutte, perchè
racchiude in sè tutte le altre somiglianze) è che le onde 
EM e le onde S obbediscono alla stessa equazione
di propagazione(equazione delle onde di D'Alembert).
E' un'equazione molto generale cui obbediscono quasi tutte
le onde (S, EM, delle corde vibranti, del mare ...) quando
si propagano in un mezzo omogeneo (nel caso della luce
questo può significare anche il vuoto, perchè il vuoto è 
omogeneo). E' un'equazione differenziale del secondo
ordine cioè contiene le derivate seconde della cosa
che vibra (il campo E o il campo M nel caso delle onde EM, 
la pressione nel caso delle onde S, il livello dell'acqua 
nel caso delle onde sull'acqua, lo spostamento laterale 
nel caso della corda tesa...).    
Però c'è da dire una cosa: mentre le onde EM (in un mezzo
omogeneo) soddisfano sempre l'equazione di D'Alembert
qualunque sia la loro intensità (anche enorme), la stessa 
cosa non si verifica per le onde S ; queste sono descritte
molto bene dall'equazione di D'Alembert solo se sono 
abbastanza deboli; altrimenti sorgono complicazioni; 
succede addirittura che, quando l'intensità è troppo forte,
non viene soddisfatta nessuna equazione differenziale; è
il caso delle onde d'urto (come quando scoppia una bomba).
In questi casi il principio di sovrapposizione (che è una 
conseguenza dell'equazione di D'Alembert) non vale. 
Ma in tutte le circostanze della vita pratica l'equazione
di D'Alembert è soddisfatta anche dalle onde S, cosicchè 
alla tua domanda  " esiste un formalismo comune ? " .
si può rispondere sì, è il formalismo dell'equazione di D'Alembert.
Cordiali saluti.
Corrado
 
 
 

 Ciao!
Grazie a te per la stimolante discussione.
Sii felice!
Corrado Massa
_
cm...@tin.it

e non sapevo che esistessero materiali nei quali le onde EM non
Solo nel vuoto le onde EM sono perfettamente trasversali, e anche per
questo ci vogliono ben determinate condizioni al contorno.
In tutta la materia reale, (dielettrici, conduttori.. non importa la
loro natura...) le onde EM non sono mai trasversali (cioe' TEM).
Non possono esserlo perche' ci sono *sempre* dispersioni e 
assorbimenti che modificano il campo in direzione longitudinale.
La teoria e la pratica non sempre coincidono.

 La teoria e la pratica non sempre coincidono.
Mi sembra ci sia un po' di confusione.
Intanto la frase ritrita su teoria e pratica, c'entra come i cavoli a
merenda, visto che anche tutti i casi che esemplifichi hanno la loro
brava teoria...
Poi: conduzione, dispersione, non c'entrano anche loro un bel niente.
Nel linguaggio della fisica si chiamano onde trasversali:
a) le onde piane di un campo vettoriale, quando il campo e' ortogonale
alla direzione di propagazione
b) per estensione, tutte le onde, anche non piane, che siano pero'
ottenibili come sovrapposizione di onde piane trasversali.
La condizione n.s. per questo e' che il campo in questione abbia
divergenza nulla, e cio' accade sempre, nel caso e.m., per i vettori D e
B, anche nei dielettrici e nei mezzi conduttori (in assenza di cariche
libere). Non accade sempre per E e H, se il mezzo non e' isotropo.
Il caso dei cavi coassiali e delle guide d'onda appare diverso perche'
stiamo usando una diversa definizione di trasversale: si parla di solito
di "trasversale rispetto all'asse del cavo o della guida". In questo
senso solo le onde TEM sono trasversali, ma sicuramente sai che ad es.
un'onda TE puo' essere vista come sovrapposizione di normali onde piane
trasversali che viaggiano in direzione obliqua rispetto all'asse.
-- 
Elio Fabri
Dip. di Fisica - Univ. di Pisa
Sez. Astronomia e Astrofisica