Suono e vibrazioni: ricerca di fisica

SUONO E VIBRAZIONI

- Il suono - Cos’è un suono.

Ogni oggetto, di qualunque materiale, dimensione e forma, se percosso o strofinato produce un  suono. Ciò accade perché il diverso materiale (atomi, molecole..) che costituisce gli oggetti, se sollecitato dall’esterno, comincia a muoversi in modo particolare: vibra.
Osservando un elastico teso che vibra è facile verificare in cosa consiste la particolarità del movimento vibratorio: l’elastico si muove in senso verticale compiendo un’oscillazione tra due punti estremi, uno superiore e uno inferiore, movimenti la cui ampiezza diminuisce progressivamente fino ad annullarsi; l’elastico allora torna alla sua posizione iniziale di equilibrio.
La vibrazione dell’elastico, come di qualunque materiale, si trasmette anche all’aria circostante, che inizia a sua volta a vibrare. Ciò avviene attraverso il succedersi di due fasi: una di compressione delle molecole, sotto la spinta dell’elastico, e una di rarefazione, determinata dal ritrarsi dell’elastico. E’ tipico andamento delle onde (sonore).
Le onde sonore sono longitudinali: le molecole del mezzo in cui si propaga il suono si muovono parallelamente alla direzione di propagazione dell'onda.

Spiegazione del suono e le sue caratteristiche

LE ORIGINI DEL SUONO

Sviluppo storico. I fenomeni acustici elementari sono sempre stati oggetto di speculazione presso gli antichi ma, con l'eccezione di sporadiche intuizioni, si sapeva ben poco del suono prima del XVII secolo. Da allora in poi la conoscenza dei meccanismi e dei fenomeni riguardanti il suono crebbe molto più rapidamente di quella riguardante le proprietà della luce, più difficili da osservare e da misurare.
Gli antichi greci non si curarono molto degli aspetti scientifici del suono, anche se coltivarono grande interesse per la musica, considerandola l'applicazione più naturale dell'aritmetica pura. Il filosofo Pitagora scoprì che un'ottava rappresenta un rapporto di frequenze di due a uno, ed enunciò la legge che mette in relazione le armonie di note con i rapporti numerici; egli considerava le note musicali come dei "numeri applicati" in relazione ai "numeri puri" dell'aritmetica. Aristotele, in una breve annotazione sul suono, avanzò ipotesi corrette e accurate sul suo meccanismo di generazione e trasmissione; tuttavia, fino al 1600, mancarono studi scientifici sperimentali sull'argomento. Il primo a intraprendere uno studio rigoroso del suono fu Galileo.

IL SUONO E LE SUE CARATTERISTICHE

Nella sua opera Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attinenti alla meccanica, egli enunciò la relazione tra altezza e frequenza, le leggi dell'armonia e della dissonanza di cui si è parlato sopra, e diede inoltre una spiegazione teorica di come la frequenza naturale di vibrazione di una corda tesa, e quindi degli strumenti a corde, dipenda dalla lunghezza, dal peso e dalla tensione della corda. Grazie a Galileo l'acustica entra finalmente nel dominio della scienza, e non è più solo una branca dell'arte musicale.
Alcuni studi sperimentali furono eseguiti nel corso del XIX secolo dal matematico francese Marin Mersenne che, misurando il tempo di ritorno dell'eco, diede una stima della velocità del suono con un errore inferiore al 10%. Mersenne si cimentò per primo anche nella determinazione della frequenza di una nota di altezza data.

FREQUENZA DI UN SUONO

Egli misurò la frequenza di vibrazione di una lunga, pesante corda, il cui movimento di vibrazione era così lento da poter essere facilmente seguito a occhio nudo; poi, in base a considerazioni di carattere teorico, dedusse la frequenza di una corda corta e leggera, capace di produrre suoni udibili.
Nel 1660, lo scienziato Robert Boyle dimostrò la necessità di un mezzo, solido, liquido o gassoso, per la propagazione dei suoni. Egli sospese una campana in un contenitore chiuso in cui era stato praticato il vuoto, e mostrò che, nonostante la campana venisse sollecitata, non si avvertiva alcun suono.