Quando la fisica è di casa

7.Silenzio, si vibra!

Quando ascoltate della musica sul vostro impianto Hi-Fi, udite suoni più acuti, altri più gravi, e potete modificare il volume. Cosa sta accadendo? La membrana dell’altoparlante vibra decine, centinaia o addirittura migliaia di volte al secondo. All’aumentare della frequenza delle vibrazioni aumenta la percezione di un suono acuto. Aumentando il volume, la frequenza delle oscillazioni della membrana non varia: ciò che cambia è la loro ampiezza.

Il suono è un’onda
Cos’è il suono? Qual è la sua natura? Un suono è un’onda… ma cos’è un’onda? In generale, potremmo definirla come una perturbazione, un fenomeno in movimento. Se si crea una perturbazione in un punto e la si ritrova da un’altra parte, allora si può parlare di onda.
Non esistono solo onde sonore. Le gocce di pioggia che cadono su uno specchio d’acqua calma, ad esempio, ne agitano la superficie con una serie di increspature che partono dal punto di impatto e si spostano. La perturbazione, in questo caso, è costituita dalle increspature.
Volete un altro esempio di onda non sonora? Se fate percorrere una barretta metallica da una opportuna corrente elettrica alternata questa indurrà un’altra corrente alternata in una barretta identica alla prima, situata a una certa distanza. In questo caso si ha a che fare con un’onda elettromagnetica.
Nel caso della propagazione del suono nell’aria, la perturbazione è una variazione della pressione dell’aria, che aumenta e diminuisce periodicamente. Se la membrana di un altoparlante oscilla avanti e indietro 400 volte al secondo, ogni volta che avanza comprime l’aria davanti a sé, e quando arretra le consente di dilatarsi.
La vibrazione della membrana fa variare periodicamente la pressione dell’aria, che aumenta e diminuisce 400 volte al secondo. La perturbazione ha origine in prossimità dell’altoparlante, ma la variazione della pressione dell’aria si ripresenta con la stessa periodicità a vari metri di distanza. Anche in questo caso abbiamo creato una perturbazione in un punto e l’abbiamo ritrovata altrove: abbiamo generato un’onda.

Un’onda può cancellarne un’altra
Una delle caratteristiche che distingue le onde dalla materia ordinaria è che un’onda può essere cancellata da un’altra onda uguale e contraria. Riprendiamo l’esempio della membrana dell’altoparlante che vibra 400 volte al secondo. Abbiamo visto come ogni volta che avanza, la membrana comprime l’aria davanti a sé; ogni volta che arretra, invece, le permette di espandersi. Ciò che non abbiamo detto, però, è che nell’avanzare, la membrana fa espandere l’aria alle sue spalle, per comprimerla quando si muove nella direzione opposta. In pratica, le due facce della membrana producono simultaneamente nello stesso punto due onde che si oppongono costantemente. Perché un altoparlante del genere sia in grado di diffondere realmente un suono occorre impedire la cancellazione delle due onde: a tale scopo si può schermare un lato dell’altoparlante, ad esempio inserendolo in una cassa chiusa.

Acuto o grave: questione di altezza
La frequenza, misurata in hertz (Hz), equivale al numero di oscillazioni della pressione in un secondo e determina l’altezza del suono, cioè il suo carattere grave o acuto, che corrisponde rispettivamente alle frequenze basse e a quelle alte. Pur trattandosi di una nozione soggettiva, dipendente dall’età e dalle caratteristiche di ogni individuo, si è soliti assumere che l’orecchio umano percepisca i suoni compresi tra 20 e 20000 Hz, con una sensibilità particolare nell’intervallo compreso tra 2000 e 4000 Hz. I due valori estremi, che delimitano la gamma delle frequenze udibili, definiscono la regione degli infrasuoni e degli ultrasuoni. È noto che l’udito dei cani e dei gatti è sensibile agli ultrasuoni, rispettivamente fino a 60 e a 80 kHz; il record, tuttavia, spetta a una farfalla notturna, che percepisce i suoni fino a 300 kHz. I cani e i gatti sentono gli ultrasuoni ma non sono in grado di produrne. Ci sono animali, invece, che li emettono, ad esempio i topi, i conigli, i pipistrelli e molte specie di insetti notturni. Ciò che udiamo delle stridulazioni delle cavallette non è che una minima parte del loro canto, che include un gran numero di componenti ultrasoniche. Gli infrasuoni, invece, possono far entrare in vibrazione il cranio, il ventre o la cassa toracica anche se non li udiamo: quelli prodotti dal rotolamento degli pneumatici sull’asfalto, ad esempio, possono spiegare alcuni tipi di mal d’auto.