Esercizi: Il suono

In un laboratorio si appende un campanello elettrico dentro una campana di vetro e si estrae l'aria poco a poco. La figura mostra l'allestimento dell'esperimento.

1. a) Descrivi che cosa si sente man mano che l'aria esce.
2. b) Che cosa dimostra questo esperimento su ciò di cui il suono ha bisogno per propagarsi?
3. c) Perché due astronauti sulla superficie della Luna si parlano via radio anche se sono uno accanto all'altro?

Il suono viaggia nell'aria come una successione di zone di aria compressa e rarefatta che avanzano dalla sorgente fino all'orecchio. La figura rappresenta quelle zone di compressione e rarefazione.

1. a) L'aria viaggia dall'altoparlante fino al tuo orecchio o oscilla soltanto attorno alla sua posizione?
2. b) Tenendo conto della direzione in cui oscilla l'aria rispetto alla direzione in cui avanza l'onda, il suono è un'onda trasversale o longitudinale? Giustificalo.
3. c) Descrivi come lo modelleresti con una molla tesa sul tavolo.

L'altoparlante del palazzetto dello sport è a $68\ \text{m}$ da dove ti trovi, come mostra la figura.

Quanto impiega il suono ad arrivare alle tue orecchie? Dato: il suono viaggia nell'aria a $340\ \text{m/s}$.

In una chitarra, la prima corda (la più sottile) vibra a $330\ \text{Hz}$ a vuoto e la sesta (la più spessa) a $82,5\ \text{Hz}$.

1. a) Quale delle due corde suona più acuta?
2. b) Da quale grandezza dell'onda dipende l'altezza (acuta o grave) di un suono?
3. c) In quale unità si misura quella grandezza?

Due persone suonano lo stesso tasto di un pianoforte, una con molta più forza dell'altra.

1. a) Quale dei due suoni si sente più forte?
2. b) Il volume di un suono (forte o debole) è la qualità chiamata intensità: da quale grandezza dell'onda dipende?
3. c) L'altezza della nota cambia suonandola con più forza? Giustificalo.

Un orecchio umano giovane e sano percepisce suoni tra circa $20\ \text{Hz}$ e $20\,000\ \text{Hz}$. Indica se possiamo sentire ciascuno di questi suoni e nomina l'intervallo a cui appartengono:

1. a) Un suono di $15\ \text{Hz}$.
2. b) Un suono di $440\ \text{Hz}$.
3. c) Un suono di $25\,000\ \text{Hz}$.

Come si chiamano i suoni con frequenza superiore a $20\,000\ \text{Hz}$ e quale animale li usa per orientarsi nel buio?

Un violino e un flauto suonano la stessa nota, un la di $440\ \text{Hz}$, e con lo stesso volume. La figura mostra la forma delle onde che produce ciascuno strumento.

1. a) Perché riusciamo comunque a distinguere quale strumento sta suonando?
2. b) Come si chiama questa qualità del suono? Spiega in che cosa si differenziano le onde prodotte da ciascuno strumento.

Durante un temporale vedi il lampo e conti $4\ \text{s}$ finché senti il tuono, come mostra la figura.

1. a) A che distanza da te si trova il temporale? (Il suono viaggia a $340\ \text{m/s}$.)
2. b) Perché puoi trascurare il tempo che impiega la luce del lampo ad arrivarti?

Gridi davanti al muro di un campo da pelota e senti l'eco $0,5\ \text{s}$ dopo, come mostra la figura.

1. a) Spiega quale percorso ha fatto il suono da quando è uscito dalla tua bocca fino a quando l'hai sentito.
2. b) Calcola a che distanza si trova il muro. (Il suono viaggia a $340\ \text{m/s}$.)

Dei fuochi d'artificio esplodono a $1700\ \text{m}$ da casa tua. Quanto tempo impieghi a sentire il boato da quando vedi il lampo? (Il suono viaggia a $340\ \text{m/s}$.)

Un fischietto emette un suono di $340\ \text{Hz}$ nell'aria, dove il suono viaggia a $340\ \text{m/s}$.

1. a) Calcola la sua lunghezza d'onda.
2. b) Un altro fischietto emette con frequenza doppia, $680\ \text{Hz}$: calcola la sua lunghezza d'onda.
3. c) Spiega, con l'aiuto di $v = \lambda \cdot f$, come cambia la lunghezza d'onda di un suono quando aumenta la sua frequenza nello stesso mezzo.

Un altoparlante genera un tono puro di $200\ \text{Hz}$ nell'aria.

1. a) Calcola il periodo dell'onda.
2. b) Calcola la sua lunghezza d'onda. (Il suono viaggia a $340\ \text{m/s}$.)

Il suono viaggia nell'acqua del mare a circa $1500\ \text{m/s}$. Due delfini nuotano separati da $3\ \text{km}$.

1. a) Quanto impiega il suono di uno ad arrivare all'altro attraverso l'acqua?
2. b) Quanto impiegherebbe a percorrere la stessa distanza nell'aria? (Nell'aria viaggia a $340\ \text{m/s}$; esprimi il risultato con un decimale.)
3. c) In quale dei due mezzi il suono si propaga più velocemente?

Una guida alpina grida verso la parete di una gola che si trova a $170\ \text{m}$.

1. a) Quale distanza totale percorre il suono da quando grida fino a quando sente l'eco?
2. b) Quanto tempo impiegherà a sentire l'eco? (Il suono viaggia a $340\ \text{m/s}$.)

Una balena canta a $20\ \text{Hz}$ e un pipistrello emette i suoi richiami a $68\,000\ \text{Hz}$.

1. a) L'orecchio umano può percepire i due suoni? Giustificalo con l'intervallo di udibilità, da $20\ \text{Hz}$ a $20\,000\ \text{Hz}$.
2. b) Calcola la lunghezza d'onda di ciascun suono nell'aria ed esprimila in un'unità adeguata. (Il suono viaggia a $340\ \text{m/s}$.)
3. c) Collega la lunghezza d'onda così piccola dei richiami del pipistrello alla sua capacità di rilevare insetti minuscoli.

In una città convivono il traffico, i cantieri, i locali con musica all'aperto e le sirene delle ambulanze.

1. a) Spiega che cosa si intende per inquinamento acustico.
2. b) Cita due effetti del rumore eccessivo sulla salute delle persone.
3. c) Proponi una misura per ridurre il rumore agendo sulla sorgente e un'altra agendo sul mezzo attraverso cui si propaga.

Un escursionista grida davanti a una parete rocciosa lontana e sente l'eco $3\ \text{s}$ dopo.

1. a) A che distanza si trova la parete? (Il suono viaggia a $340\ \text{m/s}$.)
2. b) Cammina per $170\ \text{m}$ verso la parete e grida di nuovo: quanto impiega ora l'eco?
3. c) Spiega perché il tempo si è ridotto nella stessa proporzione della distanza.

Il sonar di una nave invia un impulso di ultrasuoni verso il fondale marino e l'eco ritorna dopo $0,4\ \text{s}$, come mostra la figura. Il suono viaggia nell'acqua a $1500\ \text{m/s}$.

1. a) Quale profondità c'è sotto la nave?
2. b) Perché il sonar usa gli ultrasuoni invece dei suoni udibili?
3. c) Se la nave naviga fino a una zona in cui il fondale è a $600\ \text{m}$, quanto tempo impiegherà l'eco a tornare?

Esiste una regola pratica per i temporali: «ogni $3\ \text{s}$ tra il lampo e il tuono, $1\ \text{km}$ di distanza».

1. a) Verifica la regola calcolando quale distanza percorre il suono in $3\ \text{s}$ ($v_{\text{suono}} = 340\ \text{m/s}$).
2. b) Che errore commette la regola, in metri e in percentuale? Ti sembra accettabile per l'uso quotidiano?
3. c) La regola suppone che la luce arrivi istantaneamente: calcola quanto impiega in realtà la luce del lampo a percorrere $1\ \text{km}$ ($c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$) e giustifica se l'ipotesi è ragionevole.

Nei film western, gli esploratori appoggiano l'orecchio al binario per sapere se sta arrivando un treno. Il suono viaggia nell'acciaio a $5000\ \text{m/s}$ e nell'aria a $340\ \text{m/s}$. Un treno lontano fischia trovandosi a $1700\ \text{m}$. La figura mostra i due percorsi attraverso cui arriva il suono.

1. a) Quanto impiega il fischio ad arrivare attraverso l'aria?
2. b) Quanto impiega ad arrivare attraverso il binario?
3. c) Con quanto anticipo arriva il suono attraverso il binario? Esprimi il risultato con un decimale.
4. d) Spiega, pensando alle particelle di ciascun mezzo, perché il suono si propaga molto più velocemente nell'acciaio che nell'aria.

Due studenti vogliono misurare la velocità del suono all'aperto. Si dispongono a $255\ \text{m}$ l'uno dall'altro: uno colpisce una grancassa e l'altro cronometra $0,75\ \text{s}$ da quando vede il colpo a quando sente il suono.

1. a) Calcola la velocità del suono che ottengono.
2. b) Perché il secondo studente avvia il cronometro quando vede il colpo e non ha bisogno di sapere l'istante esatto in cui è avvenuto?
3. c) Indica due fonti di errore di questa misura e un modo per migliorare l'esperimento.

In un concerto all'aperto, il suono vicino agli altoparlanti è assordante e a $100\ \text{m}$ dà appena fastidio. La figura rappresenta come si distribuisce l'energia dell'onda allontanandosi dall'altoparlante.

1. a) Quale grandezza dell'onda sonora diminuisce allontanandosi dalla sorgente e quale rimane costante?
2. b) L'altoparlante emette la sua energia distribuendola su superfici sferiche sempre più grandi man mano che l'onda si allontana: spiega con questa idea perché il volume diminuisce tanto con la distanza.
3. c) Collega quanto detto alla raccomandazione di non rimanere a lungo vicino agli altoparlanti.

Una famiglia vive in un appartamento accanto a un viale molto trafficato e subisce il rumore del traffico anche di notte.

1. a) Proponi una misura per ridurre il rumore agendo sulla sorgente, un'altra agendo sul mezzo di propagazione e un'altra sul ricevitore, giustificando fisicamente ciascuna.
2. b) Spiega perché una finestra a doppio vetro con intercapedine d'aria isola meglio dal rumore di un vetro semplice.
3. c) In casa, le tende spesse, i tappeti e le librerie piene di libri riducono il rumore: che cosa fanno quei materiali al suono invece di rifletterlo?

Un pipistrello emette un impulso di ultrasuoni e riceve l'eco prodotta da una falena dopo $0,02\ \text{s}$. (Il suono viaggia nell'aria a $340\ \text{m/s}$.)

1. a) A che distanza si trova la falena?
2. b) Perché noi persone non sentiamo i richiami del pipistrello?
3. c) Gli oggetti molto più piccoli della lunghezza d'onda riflettono appena l'onda: spiega perché al pipistrello conviene usare frequenze alte, con lunghezze d'onda piccole, per cacciare insetti.