ónda

Lessico

sf. [sec. XIV; latino unda].

1) In fisica, perturbazione che si propaga nello spazio sia esso vuoto o occupato da materia. Esempi tipici di onda sono le sonore, luminose, radio, sismiche, le del mare ecc. Sebbene tali fenomeni appaiano differenti gli uni dagli altri, poiché le grandezze fisiche che vi intervengono sono di natura diversa, le leggi che regolano la propagazione delle onde sono le stesse. I fenomeni ondulatori hanno importanza fondamentale nella fisica moderna e vengono descritti con una terminologia comune indipendente dalle grandezze fisiche in gioco. In particolare, quando riguardano gli organi di senso (orecchio e vista) lo studio dei corrispondenti fenomeni ondulatori è effettuato nell'ambito dell'acustica e dell'ottica. Con particolari accezioni tecniche: A) in fisica quantistica, per equazione d', o equazione di Schrödinger, vedi E. Schrödingere quantistico; per le materiali e le di probabilità, vedi quantistico. B) Nella teoria della relatività, le gravitazionali sono oscillazioni dello spazio tempo prodotte da masse gravitazionali accelerate (vedi oltre). C) In spettroscopia, numero d', o ondulanza, il reciproco della lunghezza d'onda, cioè ν=1/λ; la sua unità di misura è nel Sistema Internazionale (SI) il metro alla meno uno (m^-1). Nello studio dei moti oscillatori è usata una grandezza dello stesso nome K=2π/λ, ma definita come il numero di lunghezze d'onda comprese in un radiante. E) Nelle telecomunicazioni: portanti, onde elettromagnetiche a cui viene associato un contenuto di informazione.

2) In agricoltura, sistemazione a , sistemazione per terreni a dolce declivio (pendenze non superiori al 15%) realizzata per attenuare l'erosione e per facilitare il trattenimento delle acque nel suolo eliminandone, allo stesso tempo, gli eccessi in opportuni canali. Il terreno, con questa sistemazione, acquista un andamento ondulato e la distanza tra le onde varia in senso inverso alla pendenza (da 15-20 a 50-60 m), mentre il dislivello tra due onde adiacenti varia in modo proporzionale alla pendenza (da 0,50 a 2 m ca.).

3) Nell'uso comune, il vocabolo s'intende per lo più riferito alle onde marine: lisce, increspate; la cresta o cima dell', la parte più alta; l' della nave, provocata dal moto della nave; essere in balia delle , fig., essere sballottato tra diverse vicissitudini; essere sulla cresta dell', essere al colmo del successo, nel momento della massima popolarità. Nelle loc.: seguire l', andare dietro l', assecondarla, seguire la corrente; fig., adeguarsi alle circostanze. Nel linguaggio lett. e poetico, specialmente al pl., il mare, la superficie del mare, del lago, di un fiume: Nettuno, il dio delle ; solcare le , navigare.

4) Per estensione, linea, superficie sinuosa, serpeggiante, simile al profilo di un'onda marina: le dei capelli; far le ai capelli, ondularli; a , ondulato; andare a , procedere barcollando. Massa fluttuante in movimento: l' della folla. Fig., forza che travolge; grande quantità: un' di macerie lo travolse; un' di dimostranti invase la piazza; fu investito da un' di insulti. Anche violento impulso, impeto, veemenza subitanea: un' di commozione; lo sommerse l' dei ricordi. § Per la teoria delle , particolare teoria sulla propagazione dei fenomeni linguistici, vedi linguistica.

Fisica: generalità

Se si getta un sasso in uno specchio d'acqua, si osserva che dal punto in cui l'acqua viene colpita hanno origine delle onde circolari concentriche che via via si propagano, allargandosi su tutta la superficie del liquido . Analogamente, imprimendo all'estremo di una fune elastica, molto lunga e disposta orizzontalmente, un movimento oscillatorio, lungo la fune si propagano delle onde lineari. Negli esempi precedenti, sia le particelle d'acqua colpite dal sasso, sia quelle della fune che sono spostate in alto e in basso, per via delle forze elastiche di reazione in esse destate, sono soggette a un moto oscillatorio. Questo moto non resta localizzato nelle particelle eccitate, ma, a causa delle forze di legame e d'inerzia, viene trasmesso con un certo ritardo a tutte quelle contigue; queste a loro volta lo comunicano alle altre e così via, di modo che il moto si propaga in tutto il mezzo materiale appunto sotto forma di onde. I fenomeni descrivibili in modo analogo a quello della propagazione delle onde sull'acqua sono molto numerosi: essi possono avere luogo nei mezzi aeriformi, liquidi, solidi ( meccaniche od elastiche) e nel vuoto ( elettromagnetiche). L'onda meccanica è un moto oscillatorio che ha origine in un punto di un mezzo materiale omogeneo ed elastico e si trasmette a tutti i punti del mezzo con legge identica, ma con un ritardo che dipende dalla loro distanza rispetto al punto dove ha origine il moto oscillatorio. Il punto in cui ha origine l'onda viene detto centro di oscillazione, o sorgente d'onda. L'ampiezza dell' è il massimo spostamento che, rispetto alla posizione di riposo, subisce un punto qualunque dell'onda stessa. Il periodo T è il minimo intervallo di tempo impiegato da un suo punto a riprendere le medesime caratteristiche di moto; la frequenza f di un'onda rappresenta il numero di volte che nell'unità di tempo un suo punto riprende le stesse caratteristiche di moto; essa è uguale all'inverso del periodo. La velocità di propagazione dell' è la velocità con cui l'onda si propaga nel mezzo materiale; essa dipende dalle caratteristiche fisiche del mezzo e, se questo è omogeneo, risulta costante. Due punti (P₁ e P₂) dell'onda che si trovano contemporaneamente nelle stesse condizioni di moto si dicono in concordanza di fase. La lunghezza d' λ è la distanza tra due punti consecutivi dell'onda che oscillano in concordanza di fase.Fronte o superficie d' è il luogo dei punti che vibrano in concordanza di fase; la direzione normale alla superficie d'onda è detta normale d'. Se il mezzo materiale in cui si propaga l'onda è omogeneo, la velocità di propagazione è data da . La direzione di propagazione dell'onda è anche chiamata raggio di propagazione dell'onda. Se un'onda si propaga in un solo verso, essa si dice progressiva; se due onde si propagano in uno stesso mezzo, una in un verso e l'altra in quello opposto, l'onda che avanza secondo il verso scelto come negativo si dice regressiva. Un'onda si dice polarizzata se tutti i suoi punti vibrano in uno stesso piano. Il piano di vibrazione dell' è quello in cui vibrano i punti dell'onda; quello a esso perpendicolare, al quale appartiene la direzione di propagazione, è detto piano di polarizzazione . Secondo la direzione di propagazione, le onde possono distinguersi in lineari, circolari, piane, sferiche. Le lineari si propagano in una sola direzione; le circolari si propagano in un piano, i loro raggi di propagazione sono tutte le semirette uscenti dal centro di oscillazione e i fronti d'onda sono circonferenze perpendicolari ai raggi di propagazione; le piane si propagano in un piano, i loro raggi di propagazione sono semirette parallele mentre i fronti d'onda sono piani perpendicolari a tali raggi; le sferiche si propagano nello spazio, i loro raggi di propagazione sono tutte le semirette uscenti dal centro di oscillazione e i fronti d'onda sono sfere perpendicolari a tali raggi. Le onde si distinguono in trasversali o longitudinali secondo che il vettore che rappresenta lo spostamento istantaneo di un generico punto sia perpendicolare o parallelo al raggio di propagazione dell'onda. L'intensità di un' consiste nel rapporto tra il flusso di energia trasmesso dall'onda attraverso una superficie normale alla sua direzione di propagazione e l'area della superficie; l'intensità di un'onda circolare in un punto del mezzo dove essa si propaga è inversamente proporzionale alla distanza di tale punto dalla sorgente; l'intensità di un'onda sferica in un punto del mezzo dove si propaga è inversamente proporzionale al quadrato della distanza di tale punto dalla sorgente. Se due o più onde si propagano contemporaneamente in uno stesso mezzo, lo spostamento da esse prodotto in un punto è uguale alla somma vettoriale degli spostamenti che le onde produrrebbero separatamente (principio di sovrapposizione delle ). I fenomeni a cui possono dare luogo le onde durante la loro propagazione in un mezzo materiale sono la riflessione, la diffusione, la rifrazione, la diffrazione, l'interferenza, la risonanza, l'assorbimento. Nella forma più generale la funzione matematica che descrive un'onda è una funzione delle coordinate x, y, z, t del punto e dell'istante considerato; essa soddisfa la equazione di d'Alembert e, nel caso di un' armonica semplice, assume la forma

dove y₀ è l'ampiezza, T il periodo, v la velocità di propagazione, φ la fase. È detta forma d' la configurazione del diagramma rappresentativo di un'onda; le forme d'onda fisicamente possibili sono moltissime e spesso possono essere rappresentate con formule matematiche (vedi ancheJ.B.J. Fourier).

Fisica: onde progressive

Si propagano in un mezzo indefinito senza alcuna riflessione. Nelle progressive piane, l'ampiezza della grandezza vibrante, v, se non si considera l'assorbimento del mezzo, è indipendente dal valore della coordinata spaziale x nella direzione di propagazione. Il fenomeno oscillatorio temporale che ha luogo in un punto x si ripete, cioè, identicamente in un punto x+Δx con un ritardo Δt=Δx/c, essendo c la velocità di propagazione; il ritardo di fase corrispondente è:

Se le onde sono sferiche, si ha un fenomeno analogo, ma le ampiezze decrescono regolarmente con la distanza dalla sorgente, alla quale sono inversamente proporzionali.

Fisica: onde stazionarie

Onde risultanti da particolare interferenza di onde della stessa frequenza, sicché la loro ampiezza varia periodicamente nella direzione di propagazione, mentre la fase è sempre la stessa. Il fenomeno è caratterizzato da linee o superfici fisse (dette nodali o nodi) nelle quali l'ampiezza del vettore vibrante è sempre nulla, e da linee o superfici fisse (dette ventrali o ventri) nelle quali tale ampiezza è sempre massima rispetto ai punti vicini. Nel caso delle onde sonore, si generano onde stazionarie piane, per esempio in un condotto a pareti rigide chiuso a entrambe le estremità da pareti piane e ben riflettenti; ponendo una sorgente sonora S al centro, per effetto di riflessioni alle estremità, quando la frequenza è tale che la lunghezza del condotto sia un multiplo intero di mezze lunghezze d'onda λ, i nodi di vibrazione sono allora a distanza λ/2, mentre le superfici alle estremità sono sempre nodali, essendo ivi nulla la grandezza vibrante. Su tubi a onde stazionarie, aventi la sorgente a un'estremità, si basa la misurazione dell'impedenza acustica dei materiali. Nel caso delle onde elettromagnetiche si possono creare onde stazionarie, per esempio luminose, con apparecchiatura analoga, costituita per esempio da due specchi, M₁, M₂, sui quali incide un'onda luminosa piana, rispettivamente riflessa e trasmessa da una lamina semitrasparente L. Anche in tal caso i piani nodali e i piani ventrali sono a distanza λ/2 nella zona in colore.

Fisica: caratteristiche del mezzo e velocità di propagazione

La propagazione di un'onda in un mezzo materiale o nel vuoto è possibile quando il mezzo ha determinate proprietà. Non tutte le onde si propagano però nel vuoto. Nel caso di onde elastiche, il mezzo deve avere inerzia, ossia massa, ed elasticità. Nel caso di onde elettromagnetiche, l'azione di un eventuale mezzo materiale si sovrappone all'effetto del campo elettromagnetico, esistente anche nel vuoto, in relazione ai valori delle costanti dielettrica e di permeabilità magnetica relative. La velocità di propagazione di un'onda in un dato mezzo è quindi espressa mediante parametri relativi alle proprietà fisiche del mezzo. Nel caso di onde elastiche longitudinali che si propagano in un mezzo omogeneo solido, la velocità di propagazione è data dalla relazione dove E è il modulo di elasticità del materiale, m_v è la sua massa volumica. Nel caso di onde elastiche trasversali che si propagano lungo una corda tesa, la velocità di propagazione è data dalla relazione dove F è la tensione della corda, m è la massa per unità di lunghezza. Nel caso di onde elastiche longitudinali che si propagano in un fluido di coefficiente di compressibilità χ e massa volumica m_v, la velocità di propagazione è data dalla relazione . Se il fluido è assimilabile a un gas perfetto, come per esempio l'aria nella maggior parte dei casi, il coefficiente di compressibilità è dato dalla relazione χ=1/γp dove p è la pressione atmosferica, γ è il rapporto c_p/c_v fra i calori specifici a pressione e a volume costante, pari a 1,4. Nel caso di onde elettromagnetiche, la velocità di propagazione nel vuoto è data dalla relazione

dove ε₀, μ₀ sono rispettivamente la costante dielettrica e la permeabilità magnetica nel vuoto. In un mezzo in cui tali grandezze sono rispettivamente ε, μ la velocità è uguale a

Fisica: onde sonore

Onde elastiche di frequenza compresa nel campo di udibilità, ossia fra 15 e 15.000 Hz. Nella loro propagazione nei fluidi, dotati solo di elasticità di volume, sono onde longitudinali, mentre nei solidi, dotati anche di elasticità flessionale, torsionale e di taglio, possono essere sia longitudinali sia trasversali. Le onde sonore, le quali non si propagano nel vuoto, interessano in generale l'intero volume occupato da un dato mezzo, ma esistono anche particolari onde sonore dette superficiali, la cui propagazione ha luogo in prossimità della superficie di separazione fra due mezzi diversi per una profondità di qualche lunghezza di onda. L'onda sonora è caratterizzata in ogni suo punto da due parametri: il valore istantaneo o efficace (secondo che ci si riferisca a un dato istante oppure si effettui la media quadratica dei valori istantanei per un dato intervallo di tempo) della pressione sonora p e della velocità di spostamento v delle particelle vibranti (vedi suono).

Fisica: onde superficiali e onde elettromagnetiche

Le superficiali sono onde sonore rivelabili alla superficie di separazione fra due mezzi diversi, per esempio un solido e l'aria, derivanti dalla composizione di onde longitudinali e di onde trasversali; per esse il moto oscillatorio delle particelle del mezzo è di tipo ellittico. Considerando orizzontale la superficie di separazione aria-solido, si trova che le onde superficiali hanno una componente orizzontale inferiore alla componente verticale; il rapporto fra le due componenti dipende dai parametri elastici del mezzo. La trattazione teorica di queste onde è stata fatta da J. Rayleigh, A. Love, C. Somigliana. Dal punto di vista pratico, queste onde hanno per molto tempo interessato soltanto la sismologia, poiché sono tali da propagarsi lungo la superficie della Terra durante i terremoti. Recentemente il loro interesse si è esteso all'elettronica in relazione a dispositivi (chiamati anche acusto-elettronici) a onde superficiali, come filtri, linee di ritardo, amplificatori, oscillatori. Una linea di ritardo di questo tipo, per esempio, è schematicamente costituita da un elemento piezoelettrico, di dimensioni e forma opportune, accoppiato a una linea elettrica di entrata e a una linea elettrica di uscita mediante trasduttori elettroacustici. L'interesse del dispositivo è legato all'entità del ritardo realizzabile a parità di dimensioni, nel confronto con una linea di ritardo elettromagnetica, tenendo conto della velocità di propagazione, assai minore nel caso acustico. Il dispositivo, inoltre, usato come filtro, realizza una attenuazione assai bassa, quindi un elevato fattore di merito. Gli amplificatori e gli oscillatori a onde superficiali si basano sulla realizzazione di anelli acustici di reazione, rispettivamente negativa e positiva, costituiti da strati sottili di materiale semiconduttore. Le elettromagnetiche sono onde trasversali che si propagano in un campo elettromagnetico (vedi elettromagnetismo), definite in ogni punto dalle quattro grandezze vettoriali: intensità E del campo elettrico, intensità H del campo magnetico, induzione elettrica D, induzione magnetica B. Tali onde possono essere progressive o stazionarie. Limitandosi alle due grandezze E, H, i due piani zx, yx, ciascuno contenente uno dei due vettori e la direzione x di propagazione, sono perpendicolari. Dal punto di vista qualitativo, il meccanismo che dà luogo a un'onda elettromagnetica può essere schematizzato come segue: si consideri un condensatore che si vada caricando per la chiusura dell'interruttore I. Si crea un campo elettrico E crescente diretto verso l'alto, quindi una corrente di spostamento parallela a E, pure crescente; questa corrente crea un campo magnetico H nel piano orizzontale pure crescente, essendo proporzionale a dE/dt. La variazione di questo campo H crea un nuovo campo elettrico E, che è verticale, ma ha direzione opposta in punti come P, O; la sua variazione temporale crea un nuovo campo magnetico variabile H, quindi un nuovo campo elettrico variabile E, e così via; con questo meccanismo si comprende come il campo elettromagnetico si propaghi nella direzione x e analogamente nella direzione opposta. Lo studio matematico della propagazione è stato fatto da C. Maxwell e ha portato alle equazioni dette di Maxwell. Le onde elettromagnetiche vengono generalmente classificate in base alla loro lunghezza d'onda. Le onde elettromagnetiche danno luogo a fenomeni di interferenza e diffrazione; quest'ultima limita la nozione di raggio a quei fenomeni di propagazione che interessano ostacoli e fori di dimensioni molto grandi rispetto alla lunghezza d'onda, come usualmente accade per i raggi luminosi, X e gamma. Le onde elettromagnetiche che attraversano mezzi amorfi, non cristallini, non sono generalmente polarizzate; la polarizzazione ha origine quando il mezzo attraversato ha particolari proprietà cristallografiche. Le onde elettromagnetiche portano energia, calcolabile in base al valore delle intensità E, H dei campi elettrico e magnetico (vedi Poynting, John Henry). Il fatto che tale energia sia suddivisibile in quantità discrete, finite, al di sotto delle quali non è possibile scendere, è la base della teoria dei quanti. Le onde elettromagnetiche, oltre che energia, portano anche quantità di moto, quindi esercitano una pressione unidirezionale, detta pressione di radiazione, sulla superficie dei corpi sui quali incidono .

Fisica: onde luminose

Onde elettromagnetiche il cui campo di lunghezza d'onda è compreso fra ca. 400 e 700 nm, che hanno la proprietà di poter fungere da stimoli esterni per la sensazione visiva. Possono essere complesse, ossia costituite da più componenti di diverse lunghezze d'onda, oppure da un'unica componente avente una data lunghezza d'onda (onda monocromatica). Oltre ad avere tutte le proprietà fisiche generali delle onde elettromagnetiche, in relazione alla loro lunghezza d'onda, hanno anche particolari proprietà fotochimiche in relazione alla natura dei costituenti la retina dell'uomo e degli animali.

Fisica: onde gravitazionali

Le onde gravitazionali sono onde che si propagano nello spazio alla velocità della luce e che si generano quando un corpo qualsiasi dotato di massa subisce un'accelerazione. Sono molto deboli e pertanto la loro osservazione si ritiene possibile solo nel caso di eventi astronomici di particolare rilevanza. La geometria dello spazio-tempo può entrare in oscillazione alla stregua di un mezzo dotato di elasticità, costituendo appunto delle onde gravitazionali; questo fenomeno fu dimostrato da A. Einstein stesso con la teoria della relatività generale. In analogia con la proprietà delle cariche elettriche di emettere onde elettromagnetiche allorché vengono poste in accelerazione, altrettanto deve dirsi per le masse gravitazionali. Peraltro, va tenuto conto dell'esigua intensità intrinseca della forza di gravità, la cui costante G è 10^–39 volte più piccola della costante di interazione elettromagnetica, e del fatto che una perturbazione gravitazionale di tipo ondulatorio può venir prodotta esclusivamente da variazioni del momento di quadrupolo della massa in oggetto. In altri termini, solo modifiche di assetti asimmetrici e instabili dei corpi – rispetto a un asse di rotazione – saranno in grado di produrre onde gravitazionali. Dal punto di vista di laboratorio, un'esperienza significativa che si può concepire è quella di porre in rotazione libera (ca. 5 giri/s) un cilindro di ferro, di 1 m di diametro e di una decina di metri di lunghezza, intorno a un asse ortogonale alla sua lunghezza e assolutamente privo di attriti. Nella fattispecie, la teoria accerta che la perdita di energia meccanica da parte della massa rotante, sotto forma di onde gravitazionali, non sarebbe sufficiente a provocare un rallentamento apprezzabile della rotazione nemmeno se l'esperimento si protraesse per l'intera età dell'Universo (ca. 14 miliardi di anni). Di conseguenza, qualsiasi eventuale prova di emissione di onde gravitazionali (o di radiazione gravitazionale) non può ricercarsi che in masse di enorme entità e in condizioni dinamiche non realizzabili in laboratorio, ma che rientrano nell'ambito di corpi celesti particolari.

Fisica: l’osservazione delle onde gravitazionali

L'esistenza delle onde gravitazionali è stata dimostrata, in modo indiretto, dallo studio di un sistema binario costituito da due stelle di neutroni strettamente orbitanti. Tale sistema, scoperto nel 1974 dal fisico americano J.H. Taylor, perde energia orbitale a un tasso esattamente pari a quello previsto dalla teoria della relatività generale, nonostante l'intensità delle onde generate dalla coppia di stelle sia, con i rivelatori disponibili, troppo debole per essere rivelata. Le onde gravitazionali vengono irraggiate anche da una stella in fase di collasso, per implosione in astro a neutroni e/o in buco nero, tutte le volte che si verifica un evento di supernova. Anche la fagocitazione di materia gassosa entro i dischi di accrezione circondanti buchi neri e astri neutronici è un processo capace di divenir fonte di onde gravitazionali. Da tempo i fisici ritengono che potenze di tale entità rientrino nel campo di sensibilità di rivelatori opportunamente progettati. Una prima generazione di dispositivi a ciò atti, ma di sensibilità assolutamente inadeguata, è stata messa a punto da J. Weber nel 1969 all'Università del Maryland. L'apparato consisteva in un massiccio cilindro di alluminio capace di entrare in risonanza a frequenze elastiche di 1500 Hz; era dotato di un gran numero di rivelatori piezoelettrici atti ad evidenziare le vibrazioni provocate dalle onde, le quali, viaggiando polarizzate trasversalmente producono alternanze di deformazioni nella struttura della materia che esse attraversano. Nei Laboratori di Fisica dello Spazio di Frascati, cilindri siffatti vengono raffreddati in elio liquido per attenuare le fluttuazioni molecolari di origine termica, e sono in grado di risuonare su tre armoniche. Una seconda generazione di rivelatori, fondata sul confronto via laser delle deformazioni periodiche subite da due braccia ortogonali, è stata messa a punto al Laboratorio Malibu della California; esperimenti ancor più sofisticati sono condotti presso l'Università di Roma e per conto dell'Agenzia Spaziale Europea ESA. Un rivelatore di terza generazione basato su un gigantesco interferometro laser, denominato VIRGO, è in funzione nella campagna pisana, costruito dall'INFN italiano e dal CNRS francese. VIRGO consiste di un doppio percorso ottico sotto vuoto, entro due tunnel ortogonali l'uno all'altro. Il cammino è percorso da due raggi laser all'infrarosso descrivendo 120 km, grazie a un gioco di riflessioni su appositi specchi fissati a grosse masse di riferimento sospese (e refrigerate intorno allo zero assoluto). Misure d'interferenza fra i due pannelli luminosi sono in grado di evidenziare le deformazioni prodotte dal passaggio delle onde gravitazionali irradiate dal bulbo di una galassia di grandi dimensioni, come è, per esempio, M 87, nella costellazione della Vergine (Virgo, appunto), a 50 milioni di anni luce da noi. Tra gli altri esperimenti di tipo analogo, si distingue l'installazione statunitense LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). L'ESA e la NASA stanno, inoltre, progettando congiuntamente una missione spaziale denominata LISA (Laser Interferometer Space Antenna) costituita da un sistema di tre satelliti, distanti tra di loro circa 5 milioni di chilometri , in grado di osservare il passaggio di un onda gravitazionale come una variazione nella distanza relativa tra i satelliti. Gli sforzi per rilevare le onde gravitazionali sono motivati anche dal fatto che esse potrebbero offrire un nuovo modo di indagare le proprietà dell'universo, facendo compiere un progresso del tutto analogo a quelli corrispondenti all'avvento della radioastronomia o dell'astronomia a raggi X.

Geofisica: onde marine

Movimenti oscillanti della massa d'acqua marina prodotti dall'azione del vento, delle maree, delle sesse, da movimenti sismici, da frane sottomarine, da perturbazioni atmosferiche violente, dal passaggio di imbarcazioni. Se l'oscillazione avviene in corrispondenza della superficie di discontinuità acqua-aria si generano superficiali, se avviene alla discontinuità acqua-acqua tra masse d'acqua con proprietà fisiche diverse si generano interne. In entrambi i casi le onde dipendono dalla velocità relativa dei due flussi a contatto: per le onde superficiali è essenziale l'azione del vento, per quelle interne l'effetto delle correnti. Le principali caratteristiche delle onde marine sono l'altezza, cioè il dislivello tra il punto più alto (cresta) e il più basso (valle, ventre o cavo), la lunghezza, cioè la distanza tra due creste successive, il periodo, cioè il tempo intercorrente tra il passaggio di due creste successive per uno stesso punto, la velocità di propagazione, ossia il rapporto tra la lunghezza e il periodo .

Geofisica: onde superficiali

Sono generate dalla turbolenza al contatto tra aria e acqua e dipendono dall'intensità e regolarità del vento. Con venti deboli si formano sulla superficie libera del mare piccole increspature alte qualche millimetro o centimetro, dette onde capillari, che si smorzano rapidamente se la velocità del vento non cresce. Se invece l'intensità del vento aumenta, le onde capillari aumentano d'ampiezza e di lunghezza d'onda e il moto ondoso può propagarsi lontano dal punto d'origine (onde dette gravitazionali in quanto la forza che ne consente il moto anche dopo che il vento sia cessato è quella di gravità). Se il vento aumenta ancora d'intensità le creste delle onde possono spezzarsi producendo la caratteristica spuma (increspature di spuma o cavalloni) , mentre lontano dal luogo dove spira il vento il moto può proseguire regolarmente con onde sempre più lunghe e basse. La teoria del moto ondoso è molto complessa, tuttavia una descrizione matematica semplificata può essere fatta facendo riferimento a onde sinusoidali regolari di piccola ampiezza che con buona approssimazione corrispondono nella realtà alle onde non sottoposte direttamente all'azione del vento. Si può così stabilire una relazione tra la velocità (c) di propagazione dell'onda, la sua lunghezza (λ) e la profondità del mare (h):

che nel caso delle onde corte o brevi, caratterizzate da una semilunghezza d'onda minore della profondità del bacino, ossia con λ/2<h, si riduce a perché, con buona approssimazione, in tal caso tgh 2πhlλ si può assumere uguale a 1, cioè la velocità è proporzionale alla profondità e indipendente dalla lunghezza d'onda. È possibile anche determinare il profilo di questi due tipi d'onda, che è una sinusoide, e la forma delle orbite descritte dalle particelle d'acqua che partecipano al movimento. Per le onde corte di mare aperto le orbite sono circolari con raggi decrescenti con la profondità: a profondità superiori alla semilunghezza d'onda il raggio orbitale si riduce a ca. il 4% del valore di quello superficiale; per le onde lunghe le orbite sono ellittiche e sempre più schiacciate con l'aumentare della profondità. Nelle onde reali il rapporto tra altezza (a) e lunghezza d'onda non può superare il valore limite di 1/7, cioè a/λ=1/7: al di sopra di questo valore l'onda non è più stabile e si rompe. Il rapporto è molto piccolo per onde basse, varia tra 1/70 e 1/35 per onde medie ed è compreso tra 1/35 e 1/7 per onde di tempesta. Le onde corte descritte dalla teoria corrispondono alle onde che si formano in mare aperto e profondo. In prossimità della costa, col diminuire della profondità del mare varia il rapporto tra h e λ e le onde corte si trasformano in onde di tipo lungo per le quali, come prevede la teoria, la velocità dipende solo dalla profondità del bacino. Nelle zone costiere si determinano così delle fasce in cui varia la velocità delle onde a causa dell'attrito contro il fondo con conseguente effetto di rifrazione che tende a far disporre le creste parallelamente alla linea di costa. Ciò comporta un'azione erosiva del moto ondoso molto più intensa sui promontori in conseguenza della concentrazione di energia delle onde che vi si frangono. Inoltre, poiché la velocità della cresta è maggiore rispetto al cavo (dato che h è maggiore per i punti più alti dell'onda), le onde avvicinandosi alla costa si deformano, si accavallano e si frangono: si verifica uno spostamento orizzontale della massa liquida accompagnato da un'azione erosiva e di trasporto di materiali che si risente fino a una profondità di ca. 5-10 m. Lo stesso fenomeno avviene per fondali leggermente e regolarmente inclinati: quando la profondità diventa inferiore all'altezza dell'onda, questa si spezza e il flutto si rovescia sulla spiaggia; il flutto di ritorno, o risacca, ostacola poi l'arrivo delle onde successive favorendo il loro rovesciamento. Diverso è l'effetto sulle onde di una costa a picco. In questo caso le onde si riflettono sulla superficie rocciosa senza rovesciarsi e con minima perdita di energia: le onde riflesse interferiscono con quelle in arrivo e si stabilisce un moto stazionario (onde stazionarie) in cui non vi è scorrimento orizzontale dell'acqua, ma semplice oscillazione verticale del livello marino. Questo fenomeno, detto clapotis, è per esempio osservabile lungo i moli dei porti dove i natanti oscillano dall'alto in basso ma non sbattono contro le pareti.

Geofisica: onde interne

Si manifestano entro la massa d'acqua marina, anche profonda, in corrispondenza della discontinuità tra corpi d'acqua con proprietà diverse hanno carattere di onde corte e possono propagarsi lungo la discontinuità stessa o essere di tipo stazionario. A parità di lunghezza d'onda, la loro velocità è inferiore rispetto a quella delle onde superficiali e piccola è anche la loro altezza. Appartiene a questo tipo la cosiddetta onda morta che si propaga a debole profondità. Una nave che proceda in senso opposto a quello di propagazione di questa onda può essere frenata senza che in superficie sia riscontrabile alcun moto ondoso.

Geofisica: onde lunghe

Rientrano nella categoria delle lunghe certi moti oscillatori non prodotti dal vento, quali le onde solitarie (per esempio le onde prodotte dal passaggio di un'imbarcazione o da un sisma o da una frana sottomarina), gli tsunami, le maree, le cooscillazioni di marea, le sesse. Le onde solitarie e gli tsunami sono onde progressive per le quali la velocità di propagazione può essere espressa dal rapporto tra lunghezza d'onda e periodo, c=λT; le maree, le sesse e le cooscillazioni di marea sono invece di tipo stazionario.

Geofisica: onde sismiche

Deformazioni elastiche che si propagano nel terreno con movimento oscillatorio, prodotte da un fenomeno naturale (terremoto, movimento franoso, tempesta atmosferica ecc.) o artificiale (esplosione superficiale o sotterranea, masse battenti e in genere ogni evento che produca un'onda d'urto sul terreno). Le onde sismiche sono riconducibili a tre tipi fondamentali: le longitudinali, di compressione e dilatazione, dette anche onde primarie od onde P perché essendo più veloci arrivano per prime ai sismografi, sono caratterizzate da un movimento oscillatorio che si manifesta nella direzione di propagazione, cioè parallelamente al raggio sismico; le trasversali o di distensione, dette anche secondarie od onde S, sono meno veloci e caratterizzate da un movimento oscillatorio che avviene perpendicolarmente alla direzione di propagazione; le superficiali, dette anche lunghe od L, si propagano lungo la superficie terrestre con velocità sensibilmente inferiore rispetto agli altri tipi di onda, ma con minore dispersione di energia; queste onde sono infatti responsabili della maggior parte dei danni prodotti dai terremoti. Si distinguono tre tipi di onde superficiali: le di Rayleigh (onda R), nelle quali il moto oscillatorio è ellittico e avviene in un piano orizzontale nella direzione di propagazione, le di Stonely, analoghe alle precedenti, ma che seguono le superfici di discontinuità all'interno della Terra e che, pertanto, non sono sempre facilmente rilevabili dai sismografi, e le di Love (indicate anche come onde Q), nelle quali le particelle vibrano ancora con moto ellittico ma in un piano trasversale rispetto al raggio sismico. Altri tipi di onde sismiche sono le trasformate, così chiamate perché nel corso della loro propagazione cambiano natura, anche ripetutamente, da onda P a onda S e viceversa in seguito a fenomeni di rifrazione e riflessione, e le guidate che si trasmettono racchiuse e delimitate entro strati o livelli del sottosuolo. Le onde primarie e secondarie si propagano all'interno della Terra con velocità diverse e generalmente crescenti con la profondità e con l'aumentare della densità dei terreni. Anche nelle onde sismiche, come in tutti gli altri tipi di onda, la velocità di propagazione dipende dalle caratteristiche del mezzo attraversato. Nel caso delle onde sismiche, il mezzo attraversato è costituito da rocce disomogenee per composizione chimica, stato fisico e densità, quindi la velocità di propagazione delle onde varierà a seconda del tipo di roccia attraversato. In particolare la velocità di propagazione delle onde sismiche dipende dalla densità e dalle proprietà elastiche delle rocce secondo le formule seguenti:

dove k rappresenta il modulo di compressibilità, m il modulo di rigidità e ρ la densità della roccia. Le velocità delle onde P variano da ca. 2 km/s nelle rocce sedimentarie incoerenti a 7-8 km/s per alcune rocce ignee compatte e per alcune rocce di tipo evaporitico; i valori corrispondenti per le onde S variano da 1,2 a 4,7 km/s. L'anisotropia elastica del terreno dovuta ai diversi tipi litologici e alla loro stratificazione determina nella propagazione delle onde sismiche fenomeni di rifrazione, riflessione e dispersione che, in prima approssimazione, possono essere descritti con gli stessi metodi dell'ottica geometrica e che vengono sfruttati per ricostruire la conformazione del sottosuolo e la struttura profonda dell'interno della Terra. Per la descrizione di tali fenomeni e per la loro utilizzazione nella ricerca pura e applicata, vedi sismologia e prospezione (geofisica).

Meteorologia: onde atmosferiche

Qualsiasi movimento oscillatorio delle correnti d'aria sia della bassa sia dell'alta atmosfera, incluse le oscillazioni, anche in assenza di correnti d'aria, che si determinano in seno all'atmosfera per cause di diversa natura. Nella bassa troposfera le onde atmosferiche originate in vario modo dall'attrito dell'atmosfera con la superficie terrestre rivestono una particolare importanza nello studio della micrometeorologia, della diffusione atmosferica degli inquinanti aeriformi, della climatologia locale ecc. Nell'alta atmosfera lo studio delle onde atmosferiche riveste una particolare importanza ai fini della dinamica dell'atmosfera e della circolazione generale dell'atmosfera anche in relazione all'evoluzione del clima globale del nostro pianeta. Nella media atmosfera, e in particolare nella media e alta troposfera e nella stratosfera, lo studio delle onde atmosferiche è fondamentale soprattutto per le analisi e le previsioni del tempo. Tali oscillazioni, suddivisibili in base alla lunghezza d'onda, influiscono sul comportamento dei livelli più bassi dell'atmosfera. Così, a ogni avvallamento e intumescenza di un'onda atmosferica corta sono associati, rispettivamente, una perturbazione ciclonica e un anticiclone; più indiretta è invece l'azione delle onde atmosferiche di grande lunghezza d'onda che tuttavia possono condizionare il tempo per periodi di settimane.

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Bibliografia

Per la fisica

L. de Broglie, Matière et Lumière, Parigi, 1949; P. Fleury, J. P. Mathieu, La luce. Emissione, assorbimento, propagazione, Bologna, 1966; E. W. Kock, Onde sonore e onde luminose, Bologna, 1967; W. K. Panofsky, M. Phillips, Electromagnetism, New York, 1967; L. D. Landau, E. M. Lifshitz, The Classical Theory of Fields, Londra, 1972; C. Someda, Onde elettromagnetiche, Torino, 1988.

Per la geografia fisica

W. Bascom, Onde e spiagge. Dinamica della superficie marina, Bologna, 1965; R. Miller, Il mare, Milano, 1968; E. P. Chancy, Le maree. Pulsazioni della Terra, Bologna, 1971; H. Carrel, Physics of the Seas, New York, 1983.