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Eco

In fisica, che cos'è l'eco?

Una proprietà delle onde elastiche è quella di poter riflettersi ed essendo il suono proprio un'onda elastica il fenomeno della riflessione è molto frequente.

Tale riflessione avviene quando l'onda cambia la direzione o il verso della propagazione in seguito all'incontro di un ostacolo lungo il proprio percorso all'interno di un mezzo.

Come avviene la riflessione di un'onda sonora che è un'onda sferica?

Se l'onda fosse piana, ovvero si propagasse in un'unica direzione come ad esempio un raggio di luce, la riflessione avverrebbe sullo stesso piano del raggio incidente, come un raggio di luce che viene riflesso da uno specchio; cioè è come se il raggio partisse da un punto posto al di là dell'ostacolo:

riflessione raggio di luce

Riflessione di un raggio di luce.

Quando si ha a che fare invece con le onde sferiche, come le onde sonore, accade che il fronte d'onda sferico che colpisce un ostacolo viene riflesso tornando indietro come se la sorgente fosse al di là dell'ostacolo:

riflessione onde sonore

Riflessione di un'onda sonora.

Il rimbombo e il fenomeno dell'eco

L'orecchio umano è capace di percepire distintamente due suoni solo se essi sono intervallati di un periodo di tempo pari ad almeno 1/10 s. Tale intervallo di tempo è detto potere separatore dell'orecchio.

Per cui, se una persona si trova in prossimità di una sorgente sonora e l'onda colpisce un ostacolo posto ad una certa distanza, allora l'orecchio percepirà sicuramente il suono iniziale e ne percepirà anche un altro distinto ed identico al primo solo se l'intervallo di tempo che intercorre tra l'andata ed il ritorno dell'onda alla posizione dell'orecchio è pari ad 1/10 s: in questo caso si assisterà al fenomeno dell'eco.

Se invece il suono riflesso arriva prima di 1/10 s dall'istante in cui è stato emesso allora si percepirà soltanto un'intensità sonora più intensa con un suono più rinforzato: tale fenomeno è conosciuto come rimbombo.

Qual è la distanza minima in cui deve essere posto l'ostacolo affinchè si possa assistere al fenomeno dell'eco ad esempio per l'emissione di voce umana?

Considerando che il suono viaggia a 340 m/s nell'aria (si veda: velocità del suono), dobbiamo imporre che la distanza tra la persona che emette il suono e l'ostacolo sia tale che venga percorsa per un valore doppio (andata e ritorno) in un tempo pari a 1/10 s:

v = spazio / tempo = 2 ∙ d / t

Per cui la distanza d risulta:

d = v ∙ t / 2 = 340 ∙ (1/10) / 2 = 17 m

Dunque la parete riflettente deve trovarsi ad almeno 17 m di distanza dalla persona che emette il suono per poter percepire l'eco.

Applicazioni pratiche dell'eco

Sfruttando il fenomeno dell'eco si possono ricostruire immagini di oggetti nascosti ed invisibili ai nostri occhi.

Applicazioni rivoluzionarie che si basano su questo principio sono il sonar e l'ecografo.

Il primo serve a scandagliare i fondali marini attraverso l'invio di onde  sonore che arrivano al fondale e vengono riflesse in tempi diversi a seconda della profondità del fondale stesso.

Ricevendo le onde riflesse e calcolando il tempo di ritardo nella riflessione di ogni onda emessa di può ricostruire perfettamente un profilo del fondale. E' grazie al sonar che è stato possibile mappare le fosse oceaniche, scoprire il relitto del Titanic ecc…

L'ecografo invece è un importantissimo strumento medico molto pratico e veloce da utilizzare assolutamente non invasivo che permette di ricostruire le immagini di ciò che si trova all'interno del nostro organismo almeno nella parte più superficiale.

Ad esempio l'ecografia risulta utilissima durante la gravidanza per visualizzare le immagini del feto che si presenta dentro il ventre della madre, misurando i tempi di riflessione di ogni onda e ricostruendo dunque l'immagine nella sua interezza.

Eco e mondo animale

Alcuni animali hanno sostituito il senso della vista attraverso la percezione dei suoni riflessi. E' il caso dei pipistrelli che emettono suoni compresi tra i 10000 Hz ed i 200000 Hz, proprio perché a queste frequenze così elevate le onde avranno lunghezza d'onda comprese tra il centimetro ed il millimetro per cui possono essere riflesse da ostacoli di dimensioni superiori consentendo così al pipistrello di potersi orientare e non andare a sbattere durante il proprio volo.

Anche i delfini si orientano tramite emissione di ultrasuoni che però possono toccare anche frequenze di 400000 Hz, questo perché la velocità dell'onda sonora in acqua è di 1450 m/s ben superiore a quella dell'aria, in tal modo le lunghezze d'onda possono arrivare all'ordine dei millimetri.

Eserizio #1

Durante un'escursione in montagna ci si ritrova di fronte ad una parete rocciosa e ad una certa distanza d da essa si avverte il fenomeno dell'eco.

In particolare si rileva che un suono emesso a quella distanza dalla parete torna indietro come eco dopo un tempo di 0,5 s.

Considerando la velocità del suono nell'aria pari a 340 m/s, determinare a quale distanza dalla parete rocciosa ci si trova.

Lo svolgimento dell'esercizio lo trovi qui: eco e calcolo della distanza.

Esercizio #2

Una nave dotata di apparecchiatura sonar si trova in un tratto di mare profondo 2000 m.

Ad un certo momento sotto la nave si trova un grosso branco di pesci che emettono dei suoni.

Tale suono viene emesso in tutte le direzioni e dunque ad un certo istante raggiunge la nave. Dopo 2 s la nave riceve un altro suono, sempre emesso dai pesci, ma stavolta riflesso dal fondo marino.

Sapendo che il suono nell'acqua viaggia ad una velocità di 1500 m/s determinare a quale profondità si trova il branco di pesci.

Lo svolgimento dell'esercizio lo trovi qui: esercizio sul principio di funzionamento del sonar.

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