Dispensa fisica teorica

INTRODUZIONE GENERALE ALLA FISICA

La fisica è la scienza che studia i fenomeni naturali. I pensatori nell’antica Grecia già si occupavano di questo studio. Essa nasce con Galilei, uno scienziato italiano che nasce nel 1564 e muore nel 1642. Egli è importante perché ha introdotto il metodo sperimentale con cui si indaga l’universo e tale metodo viene usato ancora oggi.

La fisica si divide in classica e moderna.

• Classica comprende:
• MECCANICA : Cinematica (studio dei corpi in moto)

                        Statica (corpi fermi)

                        Dinamica (cause del moto, le forze)

• ACUSTICA: si occupa dei suoni
• OTTICA: si occupa della luce
• TERMODINAMICA: studia gli scambi di calore
• ELETTROMAGNETISMO: studia l’elettricità e il magnetismo.

 

• Moderna comprende:
• Relatività
• Meccanica quantistica
• Caos

 

le onde

Un’onda è una perturbazione che si propaga trasportando energia, ma non materia.

Esse possono essere di tipo:

• Meccanico: necessitano di un mezzo di propagazione  (esempi: suono, onde del mare)
• Elettromagnetico: si propagano anche nel vuoto.

Inoltre le onde possono essere:

• Longitudinali: gli elementi del mezzo materiale si spostano parallelamente al moto dell’onda (esempio le onde meccaniche)
• Trasversali: gli elementi del mezzo materiale si spostano perpendicolarmente al moto dell’onde (esempi onde meccaniche ed elettromagnetiche)

 

 

 

grandezze peculiari di un’onda

Un’onda è descritta da

• Lunghezza d’onda   ʎ  (lamda): distanza nello spazio tra due creste o due punti corrispondenti. Si misura in metri (m)

 

Ampiezza: differenza tra il valore massimo della grandezza che oscilla ed il valore di equilibrio.

• Periodo (T): intervallo di tempo che un punto del mezzo materiale impiega a fare un’oscillazione completa. Si misura in secondi (s)
• Frequenza (f): è il numero di oscillazioni descritte dall’onda in un secondo.

f = 1/T  Si misura in hertz (Hz), cioè 1/secondi.

• Velocità di propagazione (v) : v = ʎ/T . Si misura in metri/secondi.

Valori velocità di alcun onde

ONDA	VELOCITA’
Luce nel vuoto	V = 299 792 458 m/s
Onde maremoto	In oceano aperto la velocità varia dai 500 ai 1000Km/h, normalmente hanno velocità pari a 90Km/h. la lunghezza d’onda varia tra 500 e 650 Km, normalmente è intorno ai 100 m.
Suono in aria secca a t= 20 °C	V = 340 m/s
Suono in aria secca a t = 0°C	V = 332 m/s

ACUSTICA : PARTE GENERALE

L’ACUSTICA è la parte della fisica che studia le cause, la produzione e la propagazione dei suoni.

Per suono s’intende genericamente la causa di tutte quelle sensazioni (che indichiamo come rumore, scoppio, mormorio, ecc…) percepite dal nostro organo uditivo che è l’orecchio.

Se colpiamo una pentola con un cucchiaio, udiamo un suono e, nello stesso tempo, percepiamo che la pentola vibra. Quando tocchiamo la pentola con le mani impediamo alla pentola di vibrare ed il suono cessa. L’esperienza perciò dimostra che la sorgente del suono è un corpo che vibra.

Per esempio la corda della chitarra vibra quando è pizzicata. Le corde vocali che sono delle piccole membrane tese, vibrano per effetto dell’aria che esce dai nostri polmoni. Tutti i moti vibratori danno origine a suoni.

Il suono è un’onda meccanica e longitudinale.

 

 

 

caratteristiche peculiari del suono

•  Altezza essa distingua un suono più acuto da uno più grave e dipende dalla frequenza dell’onda: un suono è tanto più alto quanto è maggiore la frequenza dell’onda sonora che lo produce (esempio negli strumenti a corda quali la chitarra la corda più sottile e leggera che oscilla con maggiore frequenza genera un suono più acuto)
•   Intensità essa distingue un suono ad alto volume   da uno a basso volume, cresce all’aumentare dell’ampiezza delle onde: onde di ampiezza maggiore creano compressione dell’aria più marcata e, quindi, trasportano un suono che si ode meglio.

Dal punto di vista analitico l’intensità è rappresentata da una formula

 I = E / ( A x intervallo di tempo)

I = intensità. Si misura in J/( m2 x  s ) -  Joule / (metri quadrati x  secondi)

E= energia. Si misura in joule (J)

A = area della superficie posta perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell’onda. Si misura in metri quadrati (m2 ).

Intervallo di tempo si misura in secondi (s)

• Timbro  caratteristica distintiva dell’onda,  dello strumento musicale considerato o della voce umana.

 

 

LIVELLO DI INTENSITà SONORA

Nel Sistema Internazionale di Misura il livello di intensità sonora si misura in decibel (dB).

 

A 0 dB corrisponde la soglia di udibilità, ovvero la minima intensità percepibile.

A 130 dB corrisponde la soglia del dolore.

Suoni superiori a 100 dB provocano seri danni all’apparato uditivo.

 

limiti di udibilità

Per essere udibile un’onda sonora deve avere frequenza compresa tra 20 Hz (Hertz) e 20000 Hz (Hertz).

A frequenze inferiori corrispondono gli infrasuoni.

A frequenze superiori corrispondono gli ultrasuoni.

Gli ultrasuoni, a cui l’orecchio umano è sordo, possono essere percepiti da alcuni animali come ad esempio dai cani che possono percepire ultrasuoni fino a 50000 Hz.

 

 

 

eco

L’eco è dovuto alla riflessione delle onde sonore , cioè al fatto che il suono si comporta come se rimbalzasse contro un ostacolo.

                

                L’onda sonora percorre due volte la distanza d tra              

              l’uomo e la parete per cui impiega un tempo T = 2d/ v

              Esempio: d = 20 m  

                              T = (2 x 20) / 340 = 0,118 s = 1/10 s

              Il nostro orecchio riesce a percepire in modo distinto  

              due suoni intervallati da almeno 1/10 di secondo. In

               tale intervallo di tempo il suono percorre 34 m in  

               quanto  v suono = ʎ suono / T suono  e ʎ  suono  = 34 m.  

           L’ostacolo si deve trovare ad almeno una ventina

           di metri per udire il fenomeno dell’eco.

           Se la distanza è minore di 20 metri l’orecchio umano non

           distingue i suoni, pertanto, si sente il fenomeno del

           rimbombo.

 

           Esempio: Con l’ecografia si ottiene l’immagine del feto    

           nel ventre della madre, misurando i tempi di riflessione

           degli ultrasuoni inviati sulle sue diverse parti.

 

effetto doppler

Definizione: la frequenza di un’onda periodica rilevata da un ricevitore in moto rispetto alla sorgente dell’onda è diversa da quella rilevata da un ricevitore fermo rispetto alla sorgente.

 

Applicazioni

Il funzionamento di molti sensori di movimento si basa sull’effetto Doppler: essi emettono onde radio riflesse dal corpo in movimento, a causa di tale effetto l’onda riflessa non ha la stessa frequenza di quella incidente, ma una frequenza maggiore se il corpo si avvicina al sensore, minore se si allontana da esso.

Il sensore rileva l’onda riflessa e ne analizza la frequenza: esempio nelle porte automatiche il sensore rimane inattivo se frequenza dell’onda riflessa è minore o uguale di quella dell’onda emessa ( in questo caso le persone sono ferme o si stanno allontanando dalla porta), mentre ordina l’apertura della porta se la frequenza dell’onda riflessa è minore di quella dell’onda emessa (ciò indica che una persona si sta avvicinando alla porta).

INQUINAMENTO ACUSTICO

L'inquinamento acustico è causato da un'eccessiva esposizione a suoni e rumori di elevata intensità. Questo può avvenire in città e in ambienti naturali.

Le cause dell'inquinamento acustico possono essere fabbriche, cantieri, aeroporti, autostrade, circuiti per competizioni motoristiche, ...

Gli effetti del rumore sull'uomo sono molteplici e possono essere distinti in:

• effetti di danno (alterazione non reversibile o solo parzialmente reversibile di un organo o di un sistema, obiettivabile da un punto di vista clinico e/o anatomo-patologico), ne esistono due forme:

• danno specifico: causato ai soggetti che si espongono per periodi prolungati a livelli di 75-80 dB recando la perdita temporanea o irreversibile dell'udito (ipoacusia). Si riscontra soprattutto in ambiente lavorativo;
• danno non specifico: causato da un'esposizione sonora non sufficientemente elevata da recare danni specifici, però può, col tempo, apportare danni al sistema uditivo e causare malesseri di tipo psicofisico. Si riscontra in ambito urbano;

• effetti di disturbo (alterazione temporanea di un organo o di un sistema, obiettivabile attraverso procedure cliniche o strumentali);
• annoyance (sensazione di scontento o di fastidio generico, spesso influenzata oltre che dalla specifica sensibilità del soggetto, da fattori extra esposizionali e motivazionali).

L'inquinamento acustico urbano, e in particolare quello dovuto a traffico di veicoli in superficie, determina in prevalenza effetti di annoyance e di disturbo, mentre assai raramente si può parlare di danno.

 

Principali fonti del rumore

In relazione alla vita domestica

L'attività domestica è causa di una stragrande e insospettata quantità di rumore: l'uso inappropriato degli elettrodomestici (stereo e tv ad alto volume, lavatrici lasciate accese di notte, tosaerba e trapani azionati in orari non opportuni, condizionatori, ecc.) incidono in modo rilevante sulla quantità di rumore prodotto da un'abitazione. In questo caso però più che un’adeguata applicazione della normativa può l’educazione e il buonsenso dei singoli. La grande maggioranza delle lamentele dei cittadini pervenute alle pubbliche amministrazioni ed autorità sanitarie sono dovute al disturbo provocato dai rumori domestici.

In relazione ai sistemi di trasporto

È contraddistinto come la prima causa di rumore nei paesi avanzati. Uno studio dell’Unione Europea ha reso evidente che su all'incirca 200 milioni di cittadini della comunità il 59% è esposto a emissioni sonore prodotte da traffico stradale superiori a 55 dB, mentre il 39% ha dovuto sopportare livelli acustici pari a 60 dB. Questi dati hanno portato a stabilire dei valori limite di emissione di rumore per tutti i nuovi veicoli progettati e dato tali limiti vengono abbassati di anno in anno, le automobili di più recente produzione presentano indici di rumorosità di 8 – 10 dB inferiori rispetto a quelli di vetture immatricolate poco più di dieci anni fa.

• Ferrovie:

il treno è sempre stato considerato come un mezzo di trasporto rispettoso della natura, ma recenti studi hanno reso noto che l’impatto ambientale dei treni ha un alto valore in termini di inquinamento e di costi. La rumorosità, infatti, ha sempre rappresentato un problema oggettivo e anche se treni e motrici di ultima generazione risultano molto più silenziosi dei convogli tradizionali; l’attuale normativa prevede che le ferrovie debbano seguire percorsi lontani dai centri abitati ed essere attrezzate con adeguati sistemi di abbattimento dei rumori, come per esempio le barriere fonoisolanti vicino alle aree abitative.

• Traffico aereo:

la causa di inquinamento acustico nel caso degli aerei è il motore, sia per i velivoli con propulsione ad elica che per quelli a reazione. Considerando anche il rilevante aumento del traffico aereo susseguente alla Seconda Guerra Mondiale, le autorità competenti hanno emanato norme per il controllo e la limitazione delle emissioni sonore dei velivoli. I produttori del settore hanno recepito la necessità e si sono evoluti di conseguenza, al punto che i nuovi aerei, pur avendo spesso una capienza ed una stazza molto maggiore rispetto a quella dei loro predecessori, offrono una rumorosità anche di 20 dB inferiore agli aeromobili costruiti dopo la metà del secolo scorso. Ciò non significa che il rumore prodotto non sia percepito distintamente al suolo e causare frastuoni molto fastidiosi: deve essere infatti considerata sia la distanza altimetrica del velivolo, il suo rumore di base a certi livelli di giri del motore stesso.

In relazione alla vita lavorativa

• Industria:

il rumore generato dagli insediamenti industriali in passato riguardava solo zone dove sorgevano grandi impianti metallurgici o manifatturieri, oggi invece la frammentazione della produzione ha portato l’inconveniente della rumorosità anche nel cuore dei centri a elevata densità di popolazione. Il rumore è prodotto principalmente dai macchinari, che per ragioni economiche e di logica di mercato non si fermano neppure di notte, e dalle ventole degli impianti di riscaldamento e condizionamento dell’aria, spesso collocate in posizioni non adeguate.

• Cantieri:

sono causa di una rumorosità inaspettata e contingente e, proprio per questo, più difficilmente sopportati dai residenti delle zone interessate. All’interno dei cantieri è prodotta un’infinità di rumori: continui e ininterrotti nel caso di compressori, centrifughe e ventole, intermittenti nel caso di martelli pneumatici e seghe elettriche. Paradossalmente, tuttavia, proprio a causa della natura temporanea e provvisoria del cantiere, la normativa è più “morbida” e il livello di tolleranza ammesso è generalmente superiore a quello consentito di norma per altri tipi di attività.

Effetti sulla salute

Un'esposizione prolungata a rumore continua a 80 dB(A) per 8 ore al giorno e per molti anni non provoca alcun danno a carico dell'apparato uditivo, questo per quanto riguarda i soggetti sani. Gli effetti che determinano il danno da rumore dipendono dal livello sonoro globale, dal tipo di rumore, dalla durata dell'esposizione, dalla suscettibilità individuale e dall'interazione con altri fattori. Uno degli effetti è lo spostamento temporaneo della soglia uditiva:

è un innalzamento della soglia uditiva rispetto a quella di riposo, è variabile rispetto alla suscettibilità individuale. Il recupero inizia al cessare dell'esposizione e si completa in 16 ore circa.

Effetti sul sonno

Gli effetti del rumore sul sonno sono diversificati. Il rumore può causare:

• difficoltà e ritardo nell'addormentamento;
• incubi e sogni con componente ansiosa;
• un prolungamento dei tempi di addormentamento;
• risvegli nel corso della notte;
• una diminuzione temporale di certi stadi del sonno;
• la degradazione della qualità del sonno per il cambiamento di stadi profondi in stadi leggeri;
• sonnolenza diurna.

 

 

 

 

NORMATIVA ITALIANA RELATIVA ALL’INQUINAMENTO ACUSTICO

In Italia esistono quattro leggi contro l'inquinamento acustico:

• la L. 447 del 26 ottobre 1995 Legge quadro sull'inquinamento acustico;
• il DPCM 14 novembre 1997 relativa alla Determinazione dei valori limite delle sorgenti sonore;
• il decreto del Ministero dell'Ambiente del 16 marzo 1998 sulle Tecniche di rilevamento e di misurazione dell'inquinamento acustico;
• il D.Leg. n. 194 del 19 agosto 2005 relativo alla Attuazione della direttiva 2002/49/CE per la determinazione e alla gestione del rumore ambientale.