Huygens

HUYGENS

Christiaan Huygens  (14 aprile 1629­-8 luglio 1695)  è stato un matematico, astronomo e fisico olandese, fra i protagonisti della rivoluzione scientifica.

Le osservazioni astronomiche

 Nel 1655, adoperando un telescopio di propria fabbricazione, scoprì la luna di Saturno, Titano,e teorizzò che Saturno fosse circondato da un anello sottile e piatto, non collegato al pianeta, inclinato rispetto all'eclittica. Nello stesso anno osservò la Nebulosa di Orione. Grazie al suo telescopio fu in grado di suddividere la nebulosa in singole stelle. La regione interna più chiara della Nebulosa di Orione è chiamata Regione di Huygens in onore di questo lavoro.

Si occupò anche di ottica, migliorando notevolmente gli strumenti astronomici, costruendo un oculare per cannocchiali formato da due lenti pianoconvesse, adatto a ridurre l’aberrazione cromatica, che oggi da lui prende il nome. Propose inoltre nuove tecniche di lavorazione delle lenti.

I rapporti con la comunità scientifica

 Huygens intrattenne rapporti di corrispondenza anche con la comunità scientifica toscana,tali rapporti investirono, anzitutto, la definizione della natura dell'anello che circonda Saturno. Comportarono, inoltre, l'avvio di una polemica che rivendicò la priorità galileiana della scoperta dell'applicazione del pendolo all'orologio, presentata come propria invenzione dallo scienziato olandese.

Nel 1656, infatti, Huygens aveva ottenuto un brevetto sul primo orologio a pendolo.

Altri contributi

Huygens preparò le fondamenta del calcolo infinitesimale nei suoi lavori sui coni, ma soprattutto è famoso per la sua ipotesi circa la natura ondulatoria della luce.

Prendendo in esame la forza centrifuga e la gravità, poi, fu il primo a notare la variazione della forza centrifuga tra poli ed equatore, riuscendo ad esprimere tale forza anche da un punto di vista matematico.

A lui si deve anche la prima ipotesi in merito alla conservazione dell’energia, introducendo il concetto di forza viva, che successivamente sarà chiamata energia cinetica, applicata concettualmente anche alla possibilità di spiegare i fenomeni naturali in termini di cambiamenti di velocità e posizione di atomi microscopici.

Teoria Ondulatoria della Luce di Huygens

 La luce viene vista come un'onda che si propaga in un mezzo, chiamato etere, che si supponeva pervadere tutto l'universo ed essere formato da microscopiche particelle elastiche. La teoria ondulatoria della luce permetteva di spiegare  un gran numero di fenomeni: oltre alla riflessione ed alla rifrazione, Huygens riuscì infatti a spiegare anche il fenomeno della birifrangenza nei cristalli di calcite.

Principio di Huygens

E’ un metodo di analisi applicato ai problemi di propagazione delle onde.

In ottica ondulatoria esso ha la seguente formulazione: ogni punto di un fronte d’onda che esiste in un certo istante si comporta come una sorgente di onde sferiche secondarie che si propagano verso l’esterno con la stessa velocità dell’onda; il fronte d’onda nell’istante successivo è la superficie tangente a tutte le onde sferiche secondarie.

Young

YOUNG

 

Thomas Young (1773 – 1829) è stato uno scienziato britannico, famoso per le ricerche riguardanti la luce e  la meccanica dei solidi e per gli apporti alla fisiologia e all'egittologia.

 

Interferenza ottica

In fisica Thomas Young è meglio conosciuto per i suoi lavori in ottica come autore di una ricerca che stabilisce il dualismo onda-particella, e soprattutto come scopritore dell'interferenza nella luce. Nell'esperimento della interferenza da doppia fenditura del 1801 viene fatto passare un fascio di luce attraverso due fessure parallele praticate su di uno schermo opaco, in modo da ottenere uno schema di bande chiare e scure su di una superficie bianca posta dietro lo schermo. Ciò convinse Young della natura ondulatoria della luce.

Teoria dell'elasticità

Con la lettera E si indica il modulo di Young o modulo di elasticità longitudinale, che pone in correlazione la sollecitazione (di qualsiasi tipo) su di un corpo con la relativa sua deformazione (allungamento rispetto alla lunghezza iniziale), tale relazione di proporzionalità viene espressa con σ = Eε, nel caso di un corpo sollecitato lungo un asse principale. Il modulo di Young è indipendente dalla geometria dei materiali presi in esame, cioè con esso ci si riferisce ad una proprietà specifica del singolo materiale.

Medicina (Fisiologia)

Young viene considerato uno dei fondatori della fisiologia ottica. Nel 1793 spiegò con la variazione del grado di curvatura del cristallino  il processo di accomodazione da parte dell'occhio per mettere a fuoco gli oggetti posti a diversa distanza; nel 1801 Young per primo descrisse l'astigmatismo.

Nelle sue lezioni avanzò l'ipotesi che la percezione dei colori dipendeva dalla presenza nella retina di tre diversi tipi di fibre nervose reagenti rispettivamente al rosso, al verde e al violetto, la teoria tricromatica.

Secondo Newton tutti i colori possono essere ottenuti mescolando colori spettrali, e quindi l’ipotesi tricromatica sarebbe stata vera (e in accordo con Newton) se tutti i colori spettrali fossero a loro volta ottenibili da tre di essi, i colori "primari". Gli scienziati si misero alla ricerca di quei tre colori, e alcuni di loro affermarono di averli trovati. La soluzione trovata da Thomas Young è questa: il tricromatismo è causato dalla fisiologia del sistema visivo, cioè è causato dall'occhio e non da proprietà della luce.

Young ricerca dunque i tre componenti del colore nella costituzione dell'apparato visivo piuttosto che nell’esterno. Insomma, non esistono colori "primari" ma tre tipi di elementi sensibili al colore nella retina (un anno dopo aver indicato come esempio rosso, giallo e blu, Young indicò rosso, verde e violetto).

È questa la prima teoria di visione dei colori, cioè la prima spiegazione del perché vediamo i colori come li vediamo. I modelli di questo tipo hanno a che fare con la struttura dell'apparato visivo, della retina in particolare, e con i meccanismi che stanno dietro la retina e portano impulsi nervosi al cervello, che ne ricava la sensazione di colore.

La qualità di un colore, secondo la teoria di Young, dipende dai rapporti delle intensità delle tre sensazioni e la luminosità dalla loro somma. Un raggio blu per esempio è capace di eccitare sia la sensazione verde che quella violetta e un raggio giallo sia quella rossa che verde.

Fresnel

Fresnel

Augustin-Jean Fresnel  (10 maggio 1788 – 14 luglio 1827) è stato un fisico francese che eseguì importanti ricerche in campo ottico, in particolare nell'ottica fisica.

A lui si deve la formulazione dei cosiddetti integrali di Fresnel, strumenti matematici attraverso i quali riuscì ad elaborare una teoria che spiegasse tutti i fenomeni ottici: riflessione, rifrazione, interferenza e diffrazione.

Nonostante buone parte del suo lavoro fosse stato anticipato in modo indipendente da Thomas Young, tra il 1815 e il 1819 decise comunque di pubblicare i suoi studi presso l'Accademia delle Scienze di Parigi, di cui successivamente divenne membro.

Nel 1818 partecipò ad un concorso promosso dall'Accademia delle Scienze per un saggio riguardante uno studio teorico e sperimentale sulla luce. In quel periodo l'argomento era piuttosto rilevante, soprattutto a motivo della disputa che risaliva ai tempi di Newton sulla natura corpuscolare od ondulatoria della luce.

Alla presentazione degli studi di Fresnel, che si basavano sulla teoria ondulatoria della luce, il fisico sostenitore della teoria corpuscolare, spiegò che per assurdo seguendo tali studi sarebbe dovuta osservarsi una macchia luminosa (la "macchia di Poisson") nel centro dell'ombra di un disco circolare illuminato da una sorgente puntiforme; fatto che venne tuttavia sperimentalmente provato, confermando quindi il lavoro dello stesso Fresnel a cui venne attribuito il premio.

Inventò una nuova forma di lente, la lente di Fresnel nata per alleggerire i fari, da applicare dove serve una lente superficialmente ampia ma relativamente sottile.

La propagazione della luce è dovuta secondo Fresnel a vibrazioni trasversali meccanico-elastiche dell'etere. Accertata la natura elettromagnetica delle vibrazioni luminose, le equazioni di Fresnel restano tuttavia formalmente valide, così come resta valido il principio di Huygens-Fresnel sulla propagazione delle onde mediante il quale è possibile studiare fenomeni di diffrazione. Le teorie matematiche dell'interferenza e della diffrazione che Fresnel costruì e le esperienze che le confermarono furono ulteriori prove decisive a favore dell'ipotesi ondulatoria. Fra i dispositivi escogitati dal fisico per dare la dimostrazione sperimentale dei fenomeni di interferenza si ricordano:

·         il biprisma 

·         gli specchi

Nell'ambito della teoria generale della propagazione della luce da egli elaborata trovano non meno esauriente spiegazione i fenomeni di polarizzazione; attraverso esperienze su ciò il fisico realizzò un polarizzatore circolare che va sotto il suo nome. A lui è dovuta anche una semplice costruzione grafica per effettuare a mezzo di vettori rotanti la composizione di moti armonici di uguale centro e frequenza.

ONDE STAZIONARIE

http://www.youtube.com/watch?v=xwm8Ecq1LF0

RIFLESSIONE,ONDE STAZIONARIE, RIFRAZIONE

LA RIFLESSIONE, LE ONDE STAZIONARIE E LA RIFRAZIONE.

• LA RIFLESSIONE 

Nella figura e` rappresentata la propagazione di un'onda su una corda fissata alla parete.
Quando incontra la parete, l'onda torna indietro. 
Questo fenomeno si chiama riflessione.
Nell'esempio, l'onda riflessa ha la stessa forma di quella incidente sulla parete ma, dove prima c'era una cresta, ora c'e` un ventre e viceversa.
L'onda risulta <<capovolta>> rispetto a quella incidente.










Supponiamo che anche l'estremo sinistro della corda sia fissato a una parete.
L'onda che viaggia verso sinistra si riflette e ritorna verso destra; viene riflessa sulla parete di destra e cosi` via.
In condizioni ideali, cioe` quando l'attrito e` trascurabile, l'onda va avanti e indietro fra le due pareti e il movimento continua indefinitamente.
                                                                                     
                                     

Onda impulsiva che si propaga tra due pareti.

• LE ONDE STAZIONARIE

Quando l'onda e` di tipo sinusoidale (cioe` descritta matematicamente con la funzione seno) e la distanza fra le pareti ha un valore particolare, si ha il fenomeno delle onde stazionarie. L'onda di andata e quella di ritorno si sovrappongono, alcuni punti del mezzo stanno sempre fermi (nodi) e altri punti oscillano con la massima ampiezza (ventri).

Il nome deriva dal fatto che l'onda, pur oscillando nel tempo, rimane ferma nella sua posizione.

Si puo` dimostrare che si formano onde stazionarie quando la distanza  L  fra le pareti su cui avviene la riflessione e` un multiplo intero di una mezza lunghezza d'onda:

                                           

                                            L= (n∙λ)/2

                                                    

                                       

Se la distanza fra le pareti e` multipla di λ/2
si ha un'onda stazionaria.

Le onde stazionarie sono responsabili dei suoni negli strumenti a corda e in quelli a fiato.

• LA RIFRAZIONE

Un altro fenomeno e` la rifrazione.

Si ha una rifrazione quando un'onda incontra la superficie di separazione di due mezzi: una parte dell'onda e` riflessa nel primo mezzo, l'altra si propaga nel secondo con una velocita` diversa.

Consideriamo due tratti di corde di diversa densità saldate l'una di seguito all'altra.Le onde si muovono con velocità diverse nelle due corde prese separatamente, infatti, dette ρ₁ e ρ₂ le rispettive densità, abbiamo:

 

PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE

IL PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE 



Che cosa accade quando due onde perturbano contemporaneamente lo stesso punto di un mezzo?
Nella figura 4, sono rappresentate due onde impulsive che viaggiano in verso opposto lungo una corda.
L'onda impulsiva è prodotta dando una piccola scossa a una corda tesa; l'onda viaggia lungo la corda modificandone la forma.

Nella figura 4a, si incontrano due creste. 
Nella sovrapposizione, l'onda risultante ha un'ampiezza uguale alla somma delle ampiezze delle due onde. 

Nella figura 4b si incontrano una cresta e un ventre; l'onda risultante ha un'ampiezza nulla.

                               4a.

L'onda è la somma delle ampiezze.

                                  
                                   4b.

L'ampiezza risultane è nulla.

In entrambi i casi, dopo la sovrapposizione, le onde si allontanano, riprendendo la loro forma iniziale.
Questa proprieta`, che vale per ogni tipo di onda, si chiama principio di sovrapposizione delle onde: quando due o piu` onde si incontrano in un punto si sovrappongono e le loro ampiezze si sommano algebricamente.

ONDE IN UNA MOLLA

LE ONDE IN UNA MOLLA 

Un mezzo che si deforma quando è sottoposto a uno sforzo, riassumendo poi la configurazione iniziale quando la causa della deformazione cessa, si dice mezzo elastico.

Le onde che si propagano in un mezzo elastico si dicono onde meccaniche.

Sia i corpi solidi sia i fluidi sono più o meno elastici e consentono la propagazione delle onde meccaniche. 

Le onde meccaniche sono onde longitudinali o trasversali.

Le onde longitudinali sono quelle in cui le particelle del mezzo oscillano nella direzione di propagazione dell'onda. Per esempio, se comprimiamo alcune spire di una molla vincolata a un estremo e poi le lasciamo andare, provochiamo un impulso longitudinale che si propaga nella molla [figura 3a]: ogni punto della molla interessato dall'onda oscilla avanti  indietro. 

Il suono è una perturbazione longitudinale prodotta in un mezzo elastico, per esempio l'aria, da un corpo che vibra a una certa frequenza.


                           3a.

Onda longitudinale in una molla: un punto P si muove avanti
e indietro, nella stessa direzione in cui si propaga l'onda. 

Le onde trasversali sono quelle in cui le particelle del mezzo oscillano in direzione perpendicolare alla direzione in cui si propaga l'onda.

Nella figura 3b un impulso applicato alla molla in direzione perpendicolare si propaga in direzione orizzontale.

                     3b.

Onda trasversale: un punto P si muove in alto e in basso, in direzione
perpendicolare a quella in cui si propaga l'onda. 

                             

         

Onde meccaniche

Al passaggio di un'onda meccanica la materia subisce una deformazione elastica: le particelle che costituiscono il mezzo materiale si spostano rispetto alla loro posizione di riposo e vi ritornano quando l'ampiezza dell'onda diventa nulla.

Durante la propagazione di un'onda, lo spostamento, la velocità e l'energia meccanica (cinetica e potenziale elastica) di un elemento di massa o volume vengono trasmessi a quello adiacente. In questo modo le onde trasportano energia meccanica attraverso la materia.

Nelle onde longitudinali le particelle investite dall'onda subiscono spostamenti paralleli alla direzione di propagazione dell'onda. 

 

es:

Esempio di onda longitudinale uni-dimensionale: un pistone comprime un gas in un cilindro. L'onda di compressione si propaga lungo l'asse del cilindro.

Esempio di onda longitudinale uni-dimensionale sinusoidale. Un pistone comprime periodicamente il gas in un cilindro.

E' importante notare che durante la propagazione dell'onda nel cilindro le singole particelle di gas compiono soltanto piccoli spostamenti attorno alla loro posizione iniziale.

 

Nelle onde trasversali le particelle investite dall'onda subiscono spostamenti ortogonali alla direzione di propagazione dell'onda.

 

es:

Esempio di impulso trasversale che si propaga lungo una corda tesa

Esempio di onda trasversale uni-dimensionale sinusoidale in una corda tesa. Mentre osserviamo l'onda propagarsi verso destra ogni elemento di corda, come quello evidenziato in nero, compie oscillazioni trasversali attorno alla posizione di riposo della corda, che coincide con l'asse disegnato.

Esempio di onda trasversale uni-dimensionale in un mezzo materiale

 

Altro esempio di onda trasversale. Le 'ole' allo stadio sono onde di entusiasmo che si propagano attraverso gli spettatori. E' importante notare che mentre le 'ole' percorrono tutto l'anello dello stadio gli spettatori rimangono al loro posto.

 

Esistono anche onde nelle quali le particelle del mezzo subiscono spostamenti sia longitudinali che trasversali (come ad es. le onde marine).

es:  

Quando si propaga un'onda marina le particelle d'acqua compiono un moto circolare o ellittico attorno alla loro posizione iniziale. Anche se le onde marine percorrono migliaia di chilometri le particelle d'acqua in media non si spostano, come si può osservare seguendo il moto dei puntini blu, che avviene lungo una traiettoria circolare.

 

Le onde possono propagarsi lungo una sola direzione (es. onda su una corda tesa), nel piano (es. onde provocate da un sasso lasciato cadere in uno stagno) o in tutto lo spazio (es. onde sonore generate da sorgenti puntiformi).

In quest'articolo è spiegata la dipendenza delle onde dalla profondità dell'acqua

Le Onde

Le onde di oceani, mari e laghi sono principalmente generate dall'effetto del vento che soffia sulla superficie dell'acqua. Schema dei principali elementi caratteristici di un'onda.Un'onda e' caratterizzata dalle seguenti proprieta': Cresta E' la parte piu' alta dell'onda Cavo E' la parte piu' bassa dell'onda Lunghezza (L) E' la distanza orizzontale tra due creste o cavi successivi Altezza (H) E' la distanza verticale tra la cresta ed il cavo Pendenza E' il rapporto H/L Tra l'altezza H di un'onda e la sua lunghezza L, normalmente non viene superato il rapporto 1:7.Il tempo che intercorre tra il passaggio di due creste consecutive, rispetto ad un osservatore fisso, e' chiamato periodo T dell'onda.In base alle osservazioni, la maggior parte delle onde ha una lunghezza compresa tra 30 e 200 metri, con un periodo compreso tra i 4 e i 15 secondi, una velocita' di 10-15 metri al secondo. Raramente superano i 10 metri di altezza, anche se onde oceaniche eccezionalmente possono arrivare a 20 metri e gli tsunami a 30 metri.Nonostante l'apparenza, le onde non traspostano materia ma solo energia; osservando un'onda sembra che l'acqua si stia spostando, in realta' le molecole d'acqua rimangono pressoche' ferme, compiendo solo piccole rotazioni intorno alla loro posizione di equilibrio, e' l'energia invece che si sposta.Per le onde di acqua profonda, cioe' per quelle onde aventi una semilunghezza minore della profondita' del fondale, valgono le seguenti relazioni:L = 1.5 * T^2v = 1.5 * T v = 1.2 * sqrt(L)La terza relazione e' particolarmente importante perche' dice che la velocita' dell'onda cresce al crescere della sua lunghezza d'onda, pertanto potrebbe accadere che la sua velocita' divenga superiore a quella del vento che l'ha generata, e di conseguenza arrivare prima.Per le onde di acqua bassa, cioe' quando il fondale e' meno profondo della semilunghezza d'onda, la velocita' e' indipendente dalla lunghezza d'onda e proporzionale alla radice della profondita':v = 3.1 * sqrt (D)I fondali rivestono un'importanza fondamentale nella formazione e trasmissione delle onde.In prossimita' delle coste, quando lo spessore della massa d'acqua diventa inferiore alla meta' della lunghezza d'onda, le orbite circolari di superficie si deformano progressivamente con la profondita', diventando ellittiche e sempre piu' schiacciate, fino a che vicino al fondo le particelle si muovono parallelamente ad esso con moto rettilineo alternato. Onde in avvicinamento alle coste.In generale nei bassi fondali, la velocita' di propagazione delle onde dipende dalla profondita' del fondale. Cosi' un'onda che scorre in acque via via piu' basse, diminiusce la velocita' v a causa dell'attrito con il fondo e di conseguenza la lunghezza d'onda L. Aumenta quindi la pendenza H/L, l'onda diventa piu' stretta e quando l'angolo racchiuso dal profilo di una cresta raggiunge i 120 gradi l'onda si rompe. In prossimita' della riva questo accade quando la profondita' del fondale e' inferiore a una volta e mezzo l'altezza dell'onda. Cosi' un'onda alta 1 metro iniziera' a rompersi quando il fondale si trova a meno di un metro e mezzo di profondita'.

ciao, benvenuti! :D