Studiamo i fenomeni della scatola di Einstein 1

Lo spettacolo del mese scorso ci ha mostrato moltissimi fenomeni che cercheremo in parte di spiegare.
Abbiamo sentito parlare di onde e di fibre ottiche. Ma cos'è un'onda? Cos'è una fibra ottica?
Per affrontare questo tema useremo alcune immagini del sito http://fisicaondemusica.unimore.it/.

L'onda è una perturbazione che si propaga nello spazio e che può trasportare energia da un punto all'altro. Per perturbazione intendiamo la variazione di qualunque grandezza fisica (es. variazione di pressione, temperatura, intensità del campo elettrico, etc.).
Un'onda è una perturbazione che si propaga. 
Dove si propaga? In un mezzo in cui si manifesti, al passaggio dell'onda, una qualche forma di oscillazione locale senza trasporto di materia.
Le particelle del mezzo non viaggiano con all'onda, ma vibrano, oscillano attorno a una posizione di equilibrio, mentre a viaggiare è solo la perturbazione.
Come viaggia la perturbazione? Il classico esempio è la ola: i tifosi che si alzano e si abbassano rimanendo però sempre al proprio posto.

Guarda un modello di "ola"
http://fisicaondemusica.unimore.it/File_Modello_ola.html

Un'onda si estende nello spazio facendo variare nel tempo il suo profilo, oppure si presenta sotto forma di un unico impulso (come lo tsunami). Se non ho un unico impulso, si parla allora di onda periodica. Con T, o periodo, indico il tempo necessario affinché si compia un'oscillazione completa. La frequenza f esprime il numero di oscillazioni compiute nell'unità di tempo. Non è difficile dedurre che la relazione tra periodo e frequenza è di proporzionalità inversa T=1/f.
La distanza tra due massimi si chiama lunghezza d'onda e si indica con λ. In un'onda periodica che viaggia a velocità v costante la lunghezza d'onda e la frequenza sono inversamente proporzionali. Poiché la velocità v si definisce con v=spazio/tempo avremo v=λ/T= λf .

 

Le onde sono soggette a fenomeni come riflessione, rifrazione, interferenza, diffrazione etc.
Qui puoi vedere cosa succede quando due onde interessano una stessa regione di spazio.
Sovrapposizione costruttiva:
http://fisicaondemusica.unimore.it/File_Impulsi_in_fase.html
Sovrapposizione distruttiva:
http://fisicaondemusica.unimore.it/File_Impulsi_controfase.html
Con le onde periodiche un singolo punto dello spazio può divenire, in istanti diversi, sede di interferenza costruttiva o distruttiva. http://fisicaondemusica.unimore.it/File_Interferenza_stazionaria.html http://fisicaondemusica.unimore.it/File_Interferenza_nondispersiva.html
Autore delle animazioni: Carlo Andrea Rozzi

Dopo il 1905, con gli studi di Einstein, si è compreso che le onde elettromagnetichesi propagano nel vuoto, in assenza di materia. Un'onda è una perturbazione che si propaga non solo in un mezzo ma anche nel vuoto. A "vibrare" in questo caso è il campo elettrico-magnetico.

Riflessione
È il fenomeno per cui un'onda che incide sulla superficie di separazione tra due mezzi diversi (aria ed acqua, per esempio) cambia direzione di propagazione ritornando nel mezzo da cui proviene (di solito l'onda incidente viene in parte assorbita e in parte riflessa).

Con uno schema potremmo dire:

Come funzionano gli specchi?
Gli specchi sono superfici che riflettono quasi completamente un raggio di luce incidente in una direzione ben definita. La maggior parte degli oggetti non si comporta come uno specchio ma, quando riceve un raggio di luce, lo riflette più o meno in tutte le direzioni. Noi vediamo anche oggetti non luminosi, che non emettono cioè radiazione luminosa. I nostri occhi vengono colpiti dalla radiazione diffusa da questi corpi, il cui colore è determinato dalla composizione spettrale (vedi più avanti) della radiazione diffusa dei corpi stessi.

Rifrazione
Quando la luce passa da un mezzo all’altro (aria-acqua per esempio) si ha, oltre la riflessione, un altro fenomeno detto rifrazione. La rifrazione consiste in una deviazione della traiettoria delle onde e l'indice di rifrazione ci dice quanto un certo mezzo modifica la velocità delle onde. La luce viaggia più lentamente nei mezzi a maggior indice di rifrazione.
La legge che descrive la relazione tra la direzione del raggio incidente e del raggio rifratto è la legge di Snell. Nel passaggio da un mezzo a maggior indice di rifrazione ad un mezzo a minor indice di rifrazione il raggio rifratto si allontana dalla normale (cioè dalla perpendicolare alla superficie di separazione); nel passaggio da un mezzo a minor indice di rifrazione ad un mezzo a maggior indice di rifrazione il raggio rifratto si avvicina alla normale.
Cosa succede se l'angolo di incidenza del raggio è tale che l'angolo di rifrazione diventa uguale a 90°? Il raggio rifratto viene completamente riflesso. E' questo il fenomeno della riflessione totale, una cui importante applicazione sono le fibre ottiche. Esse sono costituite da un tubo di materiale trasparente (come il vetro, o certi polimeri), circondato da un involucro di un materiale con un indice di rifrazione minore. Un raggio di luce inviato all'interno della fibra subisce più volte il fenomeno della riflessione totale e rimane intrappolato nella fibra.