Quanto velocemente viaggia un’onda?

A velocità costante, che cosa accade alla lunghezza d’onda se la frequenza aumenta?

Prevedi la distanza tra le creste quando la frequenza raddoppia.

  1. Seleziona l’onda progressiva.
  2. Mantieni fissa la velocità di propagazione e modifica la frequenza.
  3. Segui la distanza percorsa da una cresta in un ciclo completo.

Che cosa misurare

f in Hz; λ in m; v=fλ in m/s; T=1/f in s.

L’idea alla base

La frequenza conta i cicli al secondo; la lunghezza d’onda è la distanza percorsa da una cresta in un ciclo. L’ampiezza è lo spostamento massimo dall’equilibrio. In questo modello non dispersivo, modificare la frequenza cambia la lunghezza d’onda senza cambiare la velocità di propagazione.

y(x,t)=A sin(2πx/λ−2πft+φ); v=fλ

y, A, x, λ in m; t in s; f in Hz; φ è la fase in radianti.

Costruisci il ragionamento

  1. Scrivi la perturbazione come y = A sin(kx − ωt + φ), con k = 2π/λ e ω = 2πf.
  2. Mantenere costante la fase dà v = ω/k = fλ. Con fasi diverse si sommano gli spostamenti, non direttamente le ampiezze.
  3. Due onde in versi opposti formano nodi dove la somma è nulla in ogni istante.

Esempio svolto 1

Per v=4 m/s e f=2 Hz, λ=2 m e T=0.5 s.

Esempio svolto 2

Alla stessa v=4 m/s, f=4 Hz dà λ=1 m.

Applicazioni

Lo stesso linguaggio descrive strumenti musicali, comunicazioni, onde sismiche e misure interferometriche. Lo spettro rivela strutture nascoste nella traccia temporale.

Errore comune

La configurazione che si propaga non è il moto di una parte del mezzo. L’interferenza ridistribuisce l’energia. Una DFT ha risoluzione finita e limite di Nyquist.

Un’indagine ulteriore

Come può un’onda muoversi verso destra mentre un punto del mezzo si muove su e giù?

Verifica la comprensione

A v costante, raddoppiando f, λ diventa…

  • La metà
  • Il doppio
Spiegazione

λ=v/f. Lo spostamento locale del mezzo è diverso dalla propagazione: la perturbazione trasferisce energia nello spazio.

Limiti del modello

Modello didattico analitico lineare, non un solutore numerico dei fluidi. Nessuno smorzamento, dispersione o accoppiamento non lineare.

University Physics Volume 1, 16.2 Mathematics of Waves