Se appoggi sul tavolo un righello metallico e ne tieni ferma con una mano un’estremità e con l’altra mano colpisci la sua estremità libera, sentirai un suono . Il righello di metallo è un corpo elastico, cioè ha la capacità di riprendere la forma iniziale dopo essere stato deformato; vibrando, urta le molecole d’aria con le quali è a contatto. Innalzandosi, spinge verso l’alto queste molecole e ne provoca la compressione ( a ). Abbassandosi, la lamina lascia alle molecole sovrastanti più spazio a disposizione; le molecole, lasciate libere, si allontanano provocando una rarefazione dell’aria ( b ).

Questi movimenti si susseguono dando luogo a onde che si propagano in tutte le direzioni a partire dal corpo che le ha generate. La stessa cosa avviene se pizzichi un semplice elastico o le corde di una chitarra oppure se percuoti la membrana di un tamburo…

Tutte le volte che un corpo viene fatto vibrare si sente dunque un suono. Si tratta di una vibrazione che provoca nell’aria delle “spinte” successive che trasmettono quella vibrazione e la propagano tutt’intorno. Il corpo che vibra prende il nome di sorgente sonora, le vibrazioni prendono il nome di onde sonore. Le onde sonore sono onde meccaniche longitudinali e, poiché si propagano in tutte le direzioni, sono sferiche e concentriche.

Le onde sonore sono invisibili ma si possono mettere in evidenza utilizzando qualche accorgimento. Se fai vibrare una bacchetta di metallo e poi l’appoggi sulla superficie dell’acqua di una bacinella, puoi vedere le onde che si originano nel punto in cui la bacchetta tocca l’acqua ( 7 ). Se versi della sabbia su un tamburo e contemporaneamente lo percuoti su un fianco, vedrai la sabbia disporsi a cerchi concentrici ( 8 ). Ciò accade perché la visualizzazione avviene su una superficie piana e non nelle tre dimensioni dello spazio dove le onde apparirebbero sferiche.

Poiché le onde sonore sono onde meccaniche hanno bisogno, per propagarsi, di materia; nel vuoto il suono non si propaga perché non ci sono molecole che facciano da “veicolo”. La materia, come sai, è costituita da corpi solidi, liquidi e aeriformi che si differenziano per la loro struttura molecolare. Puoi ipotizzare che i solidi, le cui molecole sono molto vicine e vibrano le une contro le altre, trasmettano facilmente le onde sonore; i liquidi un po’ meno, visto che le loro molecole sono tra loro più distanti; ancora meno gli aeriformi, le cui molecole sono tra loro ancora più lontane. Puoi provare a verificare questa ipotesi: ascolta un suono la cui sorgente è nell’acqua, per esempio quello generato da due sassi che un tuo compagno sbatte tra loro ( 9 ); ascolta poi lo stesso suono attraverso un oggetto di legno, per esempio una bacchetta ( 10). Sentirai il suono più forte attraverso la bacchetta perché le onde sonore si propagano meglio nella combinazione acqua-legno piuttosto che in quella acqua-aria.

Nei solidi, dunque, il suono si propaga meglio, si percepisce più nitido e forte. Ciò però non accade per tutti i solidi: alcuni materiali, come il sughero, la gomma, la stoffa, l’ovatta non conducono bene il suono come fanno i metalli. Tali materiali sono detti isolanti acustici o fonoassorbenti ( 11 ) e sono poco elastici.

Nella tabella puoi osservare i valori della velocità delle onde sonore in alcuni materiali, alla temperatura di 20 °C. Come puoi prevedere, la velocità delle onde sonore cambia a seconda del mezzo attraversato ed è maggiore nei solidi.

La velocità del suono nell’aria è di 340 m/s e fu calcolata per la prima volta nel 1882 da alcuni scienziati che idearono un esperimento divenuto poi celebre. Su un’altura venne sistemato un cannone e su di un’altra, a una distanza nota dalla prima, si mise uno scienziato provvisto di cronometro. Lo scienziato, appena vide il bagliore dello sparo del cannone, fece partire il cronometro che fermò nel momento in cui percepì il rombo: il tempo indicato sul cronometro corrispondeva al tempo impiegato dalle onde sonore a percorrere la distanza fra le alture. Dividendo poi la misura della distanza per il tempo, ottenne la velocità di propagazione delle onde sonore nell’aria.

Viaggiare a velocità supersonica

Di tanto in tanto può succedere di sentire un boato tanto forte da far tintinnare i vetri: questo fenomeno può essere determinato da un aereo che ha superato il muro del suono.

Nel 1947 un aereo sperimentale statunitense infranse per la prima volta il muro del suono volando a velocità supersonica, cioè superiore a quella del suono nell’aria. Prima di quell’impresa, la storia dell’aviazione era stata costellata da una lunga serie di incidenti nel tentativo di arrivare a questo limite. 

Un aereo in volo produce delle onde sonore che si propagano in tutte le direzioni, compresa quella lungo la quale l’aereo sta avanzando. Sono onde di compressione, così chiamate perché accumulano le molecole d’aria intorno all’aereo, causando dei cambiamenti di pressione e delle perturbazioni. Fino a che la velocità dell’aereo è inferiore a quella del suono, le onde precedono l’aereo e non ci sono problemi. Quando invece la velocità dell’aereo è supersonica, le onde di compressione, che hanno velocità inferiore, formeranno davanti all’aereo una barriera tanto più densa quanto più è elevata la velocità.

L’attimo in cui viene superato il muro del suono è estremamente critico per l’aereo; la sua struttura, infatti, subisce enormi variazioni di pressione che sono la causa del boato udibile da terra. Come conseguenza, l’aereo sarà meno stabile e perciò sarà difficile controllarlo. Proprio per evitare incidenti mortali, gli aerei vengono oggi costruiti con particolari accorgimenti. La fusoliera lunga e appuntita, le ali dritte e sottili, o a freccia, e piegate all’indietro permettono all’aereo di sopportare alte velocità. Ormai quasi tutti i tipi di aereo, militari o di linea, possono superare, ampiamente e in piena sicurezza, il muro del suono. Ogni pilota deve sapere, in ogni istante, qual è la velocità dell’aereo rispetto a quella del suono. Su ogni aereo è perciò installato uno strumento, il machmetro (dal nome del fisico Ernst Mach, che per primo studiò il fenomeno), che ha come unità di misura il mach, corrispondente a 1224 km/h (velocità del suono nell’aria a 15 °C).