Onda

Un’onda è una perturbazione che si propaga nello spazio e che può trasportare energia da un punto all’altro. Tale perturbazione è costituita dalla variazione di qualunque grandezza fisica (ad esempio: variazione di pressione, temperatura, intensità del campo elettrico, posizione, ecc.).

Il termine onda, proviene dalla parola latina unda, che, come in italiano, indica le increspature alla superficie dell’acqua. Ma il collegamento con l’acqua è molto più profondo. Infatti il termine latino si rifa alla radice greca hyd- che compare nella parola hydor, che vuol dire, appunto, “acqua”, e si ritrova in italiano in tutte le parole che iniziano per “idr-“, come idraulico, idrico, ecc. La radice, tuttavia, è ancora più antica, e risale all’indoeuropeo, e cioè ad un tempo in cui quasi tutte le lingue europee (ed alcune asiatiche) erano un’unica lingua. La radice indoeuropea è vud-, o vad-, e tutt’oggi è riconoscibile in moltissime lingue antiche e moderne, ad indicare l’acqua, o concetti strettamente collegati.

Molti fenomeni naturali sono descritti in termini di onde. Le onde nell’acqua sono insieme il prototipo dell’onda e un caso piuttosto particolare, in quanto sono onde che interessano prevalentemente la superficie di separazione tra due mezzi (aria e acqua), e quindi hanno caratteristiche meno generali delle onde che viaggiano in un mezzo omogeneo (si veda Onde trasversali e longitudinali, Equazione delle onde nell’acqua).

La questione sulla natura della luce è un tipico esempio di un caso più difficile da decidere. Teorie opposte a sostegno della natura corpuscolare e ondulatoria della luce si sono susseguite fino dall’antichità, ed hanno trovato un’originale soluzione nella fisica contemporanea, secondo cui sia la radiazione, sia la materia posseggono tratti comuni a particelle e a onde, quando sono osservate ad un livello microscopico (si veda raggio d’onda, indeterminazione).

Nel caso delle onde elettromagnetiche, a causa della complessità della loro interazione con la materia, onde della stessa natura fisica possono avere effetti diversissimi a seconda della loro frequenza, variando dalle onde radio usate nelle telecomunicazioni, alla luce visibile, alle pericolose radiazioni ionizzanti come i raggi X e i raggi gamma.

Le onde sonore, oltre che uno dei mezzi fisiologici di comunicazione dell’uomo, sono in realtà un tipo particolare di onde meccaniche cui è dedicata l’intera sezione Il suono e la sua percezione.

Le onde meccaniche, peraltro, riguardano molteplici aspetti della nostra vita quotidiana, da quelli più palesi su piccola scala riguardanti oscillazioni e vibrazioni (si veda fenomeni di risonanza nei sistemi meccanici), a quelli meno evidenti, ma non meno importanti su vasta scala, come le onde planetarie, che si manifestano nei fluidi dell’oceano e dell’atmosfera a causa della rotazione della terra.

Se le modalità di propagazione di un’onda in un certo mezzo sono note, l’onda stessa diviene un potente strumento di indagine delle proprietà di quel mezzo. Per esempio, misurare le proprietà delle onde sismiche quali ampiezza, direzione di oscillazione, tempi di arrivo al sismografo non solo indica dove si trova l’epicentro di un terremoto, ma può dare preziose informazioni riguardo alla struttura interna della terra.

La maggior parte delle proprietà della materia al livello molecolare o atomico sono misurate irraggiando un campione con onde (in genere elettromagnetiche come luce visibile, ultravioletta, raggi X, raggi gamma, ma anche fasci di elettroni o neutroni), ed osservando la reazione del campione.

Lo stesso principio sta alla base di molte delle moderne tecniche diagnostiche in medicina: I raggi X (radiografia) o gli ultrasuoni (ecografia) sono utilizzati per “vedere” parti del corpo che non sono visibili dall’esterno con la normale luce visibile.

Anche la scienza della conservazione e restauro delle opere d’arte si avvale di tecniche basate sull’uso di opportune spettroscopie (fluorescenza, assorbimento, trasmissione nelle bande ottica, infrarossa, ultravioletta, X).

Le indagini scientifiche sono oggi uno strumento fondamentale per le forze dell’ordine, e, basandosi su un insieme di tecniche di indagine fisico-chimico-biologiche consentono di acquisire elementi per ricostruire una scena del crimine che sono spesso determinanti ai fini delle indagini. Di nuovo l’utilizzo di onde elettromagnetiche di vario tipo per rivelare la presenza di vari tipi di tracce, o per analizzarle è ormai divenuta prassi comune.

Spesso illuminando certe sostanze con onde di un certo tipo se ne evidenziano aspetti che altrimenti rimangono nascosti: in mineralogia è prassi comune utilizzare la luce di Wood (ultravioletti) per verificare la luminescenza dei minerali, e i reparti scientifici della polizia utilizzano metodi simili per evidenziare tracce organiche altrimenti invisibili sulla scena di un crimine.

Misurare il cambiamento di direzione di un’onda luminosa quando passa dall’aria al vetro ci dice il valore dell’indice di rifrazione del vetro rispetto a quello dell’aria (si veda la sezione rifrazione), ma in generale, il colore o la trasparenza, la riflettività, e tutte le proprietà ottiche di un materiale sono il frutto dell’interazione (che può essere molto complessa) di quel materiale con le onde elettromagnetiche.

Osservare come un’onda viene riflessa o trasmessa all’interfaccia tra due sostanze diverse indica direttamente quanto i mezzi si oppongono alla trasmissione di energia da parte dell’onda stessa (si veda la sezione rifrazione in una dimensione), e ci consente di ottimizzare l’accoppiamento tra diversi mezzi (come un amplificatore HiFi e il microfono, o gli altoparlanti), per trarne la massima efficienza

Le onde permettono di studiare fenomeni distanti nello spazio e nel tempo: l’astronomia e l’astrofisica basano le loro osservazioni sullo studio dello spettro delle radiazioni elettromagnetiche provenienti dai corpi celesti, dalla materia interstellare, e dallo spazio profondo. Le radiazioni studiate occupano tutto lo spettro delle onde elettromagnetiche, e provengono da distanze tali che la loro origine può risalire a tempi remoti quanto i primi istanti di vita dell’universo. Inoltre, gli spostamenti in frequenza per effetto Doppler ci danno informazioni sull’evoluzione dell’universo.

Infine, la teoria della relatività generale prevede che onde gravitazionali consistenti in una fluttuazione nella curvatura dello spaziotempo possano essere generate in certi casi (come da un sistema binario, o nell’esplosione di una supernova) e propagarsi nello spaziotempo.

Le onde trasportano energia e quantità di moto. Si parla in tal caso di energia radiante, o radiazione. Una vasta serie di applicazioni consente di rendere più efficiente il trasporto e l’impiego dell’energia a mezzo onde, dal laser al forno a microonde. Tuttavia il primo e più semplice dispositivo atto ad irraggiare e indirizzare l’energia prodotta da una sorgente è l’antenna.

L’energia trasmessa può diventare informazione, e le onde divengono il più efficace e rapido mezzo di comunicazione.

Le onde si prestano a veicolare un’informazione attraverso una modulazione delle loro proprietà. Infatti, per esempio, nelle comunicazioni radio si distinguono comunicazioni in modulazione di ampiezza (AM), di frequenza (FM), e di fase (PM), ecc.

Le onde sonore sono il mezzo naturale della comunicazione vocale, mentre le onde elettromagnetiche sono il principale mezzo di comunicazione a distanza del nostro pianeta.

Gran parte della scienza delle telecomunicazioni è stata dedicata al problema di come generare segnali adatti alla trasmissione dei diversi tipi di informazioni, e trasmetterli alla massima distanza possibile minimizzando al contempo il rumore nel canale di trasmissione. Buona parte dell’elettronica analogica e digitale si occupa della generazione, del condizionamento, della trasmissione e della ricezione del segnale.