Onde gravitazionali

Se ne parla molto in questi giorni.
Vediamo di capire qualcosa in più.

Le onde gravitazionali sono "increspature" nello spazio-tempo, che puoi immaginare come un "tappeto di gomma" che si deforma per l'interazione di qualunque oggetto dotato di massa.
Sono prodotte dal Sole (nella deformazione dello spazio intorno ad esso si inseriscono le orbite dei pianeti); ne generiamo anche noi quando ci muoviamo, ma affinché queste siano rintracciabili è necessaria l'interazione di oggetti di massa molto molto grande, come quella dei buchi neri.

Erano una previsione della Relatività Generale di Albert Einstein del 1915, e oggi abbiamo una prova che lo scienziato aveva ragione. La prima prova sperimentale diretta dell'esistenza delle onde gravitazionali è stata comunicata l'11 febbraio 2016 dai ricercatori del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a New York e da quelli della cooperazione VIRGO a Pisa.
Qui puoi vedere un'animazione che ti spiega cosa sono queste onde.

In un'altra pagina (dove trovi una spiegazione completa) la divulgatrice Monica Marelli ci spiega in modo semplice:
Gli oggetti che hanno una massa deformano lo spaziotempo, proprio come un ippopotamo seduto su un letto deforma un materasso. 

Lo spaziotempo è un’entità fisico-matematica, invisibile ai nostri occhi ma è l’”ambiente” in cui siamo immersi. Guardate l’angolo della stanza in cui siete: le tre linee perpendicolari fra loro esprimono le 3 dimensioni spaziali. Poi esiste la quarta dimensione. Vederla non è possibile, neanche toccarla o assaggiarla: però si può misurare ed è il tempo.

Prima del Big Bang non esisteva nulla, non solo le stelle e tutto il resto ma neanche lo spaziotempo. 

Prendiamo una pallina e facciamola rotolare come si fa a bowling, partendo da un angolo dal letto. Cosa succede alla pallina? Rotola verso l’ippopotamo perché intorno a lui il materasso si piega. Allora immaginiamo che al posto dell’ippopotamo ci sia il Sole. E che il materasso diventi invisibile ai nostri occhi. E lanciamo ancora la pallina. Che cosa vedremmo? La pallina che “cade” verso il Sole. Ecco, la gravità è questo: è una curvatura dello spaziotempo e non una forza!

L’esistenza delle onde gravitazionali è fondamentale perché mette un limite alla velocità con cui i corpi interagiscono (o si scambiano informazioni) fra loro. Per esempio il Sole emette raggi luminosi ma questa luce visibile impiega un po’ per arrivare fino a noi (8 minuti), quindi non è istantanea. In altre parole, se il Sole per assurdo si spegnesse come fa una lampadina al click di un interruttore, vedremmo ancora per 8 minuti la sua immagine. Una curiosità: le onde gravitazionali non esistono nella teoria della gravitazione di Newton, dove le interazioni fra corpi sono a velocità infinita.

2A- ONDE

La bottiglia-sassofono: come costruirla

BOTTIGLIA D’ACQUA DI PLASTICA, VUOTA FORBICI TAGLIERINO GUANTI LATTICE (uno) ELASTICO GROSSO PUNTERUOLO CANNUCCIA

Togliere l’etichetta alla bottiglia ed il tappo. Tagliare sotto il terzo rilievo di plastica dal collo della bottiglia eliminando gli sfridi, perché potrebbero tagliare il lattice. Praticare un forellino sotto il bordo di dimensioni sufficienti ad accogliere la cannuccia che deve adattarsi il meglio possibile (altrimenti tappare le fessure con il pongo). Tagliare le dita a un guanto ed aprirlo dandogli l’aspetto di un tubo. Tagliarlo ancora per ottenere una sorta di foglio che sarà messo, ben tirato, sulla parte alta della bottiglia. Fissarlo con l’elastico lasciando libero il foro della cannuccia. Arrotolare un foglio di cartoncino attorno a un tubo liscio e fare un tubo di carta ben stretto, che sarà inserito dalla parte del tappo e spinto fino in fondo a toccare la membrana di lattice. Mettere la cannuccia e soffiare.

Tubi musicali
Nelle canne il mezzo vibrante è il gas contenuto nella canna (in genere aria). Diciamo v la velocità del suono nel gas. Assumiamo che l'onda sonora rimanga intrappolata nella canna, senza poter essere da questa irradiata verso l'esterno. Questo caso chiaramente non rappresenta uno strumento musicale reale utile, in quanto il suono di tale canna non potrebbe essere udito all'esterno.

NOTA FREQUENZA LUNGHEZZA CANNA
                                      SEMI-APERTA cm)
DO        261,6                   32,8
DO #     277,2                   31,0
RE         293,7                   29,2
RE #      311,1                   27,6
MI          329,6                  26,1
FA         349,2                   24,6
FA #      370                      23,2
SOL       392                      21,9
SOL#     415,3                   20,7
LA         440                      19,5
LA#       466,2                   18,4
SI           493,9                   17,4
DO        523,3                    16,4

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.