L’equazione più importante della fisica: perché tutto è un oscillatore armonico?

Spesso tra colleghi fisici ci si scherza sopra: “tutto, ma proprio tutto è un oscillatore armonico!”.
In realtà questa non è proprio un’esagerazione: in un certo senso, sotto alcune approssimazioni, tantissimi sistemi fisici hanno lo stesso comportamento di un oscillatore armonico.

Alcuni esempi:

  • Il pendolo oscilla
  • Le corde di una chitarra oscillano
  • Un liquido in un tubo a U oscilla
  • I pianeti seguono una traiettoria che riferita a una certa coordinata è un’oscillazione
  • La corrente elettrica in un circuito di una radio oscilla
  • Gli atomi oscillano
  • Gli elettroni sono delle oscillazioni di un certo campo fermionico

Cos’è un oscillatore armonico?

Tutti siamo familiari con il moto di una massa collegata a una molla: se tendiamo la molla e la lasciamo andare, la massa inizierà ad oscillare perché richiamata dalla forza elastica. Questa oscillazione è detta armonica perché è un’oscillazione perfetta, cioè segue l’isocronismo: il tempo che impiega la massa a fare avanti e indietro è indipendente da quanto è stata tesa la molla all’inizio. Questa proprietà permette di risolvere con estrema semplicità il moto di un sistema fisico.


L’equazione di un oscillatore armonico è la seguente

Questa è un’equazione differenziale che desidera essere risolta da una particolare funzione x(t) che rappresenta la traiettoria della massa nel tempo. Se non sai cos’è un’equazione differenziale, non preoccuparti, non è questo il punto del discorso.
Ti basta sapere che la soluzione x(t) è proprio un’oscillazione, cioè una funzione seno o coseno, avente una frequenza ω.

La traiettoria oscillante x(t) in funzione del tempo t.

La grande notizia è questa: sotto certe approssimazioni, la maggior parte dei sistemi fisici sono ben descritti da un’oscillazione!

Perché all’universo piace l’oscillatore armonico?

Le forze decidono in che modo devono muoversi i corpi.
Il motivo per cui la traiettoria della massa collegata alla molla obbedisce all’equazione differenziale dell’oscillatore armonico va ricercato nella natura dell’interazione tra la molla e la massa: la forza elastica.

In fisica tutte le interazioni possono essere descritte da un oggetto matematico fondamentale: il potenziale di interazione. Questo potenziale descrive le forze tra gli oggetti ed è specificato dall’interazione di cui si sta parlando, (ad esempio quella gravitazionale o elettromagnetica), per cui può dipendere dalle loro distanze reciproche, dalle loro masse, o dalle loro cariche elettriche.

Per non mettere troppa carne sul fuoco consideriamo una sola dimensione spaziale x e supponiamo che l’interazione dipenda solo dalla distanza x dall’origine x=0.

Matematicamente il potenziale di interazione sarà quindi una funzione di x, che indichiamo per convenzione con U(x).

Alcuni potenziali di interazione in una sola dimensione. Solo il potenziale più a sinistra produce delle traiettorie di oscillazione armonica.

Il potenziale di un oscillatore armonico è una parabola

Il potenziale di un oscillatore armonico

Come mai ciò?
Immagina una biglia sul fondo di una scodella: se si prova a spostare la biglia verso le pareti della scodella, la biglia tornerà indietro verso il fondo e inizierà a oscillare da una parete all’altra fino a quando l’attrito non avrà consumato tutta l’energia potenziale iniziale.

La biglia vuole tornare nel fondo della scodella perché era una posizione di equilibrio stabile, ma non può più semplicemente fermarsi in quel punto dato che ha abbastanza energia cinetica da risalire nuovamente sulla parete in direzione opposta (abbiamo perturbato il suo equilibrio stabile).
Allo stesso modo una molla vuole portare il più possibile vicino a sé la massa (per raggiungere il punto di equilibrio), ma se lasciamo andare la massa da una certa posizione iniziale, essa avrà un’energia cinetica abbastanza elevata da non fermarsi nel punto di equilibrio della molla, per cui lo oltrepasserà e proseguirà fino a quando non sentirà l’interazione elastica richiamarla nuovamente, stavolta in direzione opposta.

Il punto è che il potenziale armonico è lo stesso sia per x>0 che per x<0:
la parabola è simmetrica nei due bracci

ciò consente alla molla di richiamare la massa con una simmetria direzionale perfetta: da questo nasce l’oscillazione. Tutte le interazioni che presuppongono l’esistenza di un potenziale a forma di parabola producono delle oscillazioni armoniche dei corpi.

La metamorfosi: come si diventa armonici?

La chiave che accomuna tutti i sistemi che possono essere trattati come oscillatori armonici è che debba esistere un punto di equilibrio stabile attorno a cui oscillare. Se fissiamo tale punto di equilibrio nell’origine x=0 allora grazie ai teoremi di analisi matematica abbiamo che il potenziale può essere sviluppato come un polinomio attorno a questo punto

dove teoricamente la somma continua fino all’infinito.
Il punto fondamentale è che possiamo approssimare, cioè possiamo studiare il sistema così vicino al punto di equilibrio da poter trascurare i termini polinomiali di grado superiore (in soldoni, il numero 0.01 al cubo è più piccolo di 0.01 al quadrato, e così via). Ad esempio possiamo fermarci al polinomio di grado due.

Non lasciarti distrarre dai parametri costanti F, sappi solo che dipendono dal punto attorno cui stiamo sviluppando il potenziale. In particolare nel punto di equilibrio si ha

infatti tale parametro rappresenta la forza sentita dal corpo, e per definizione di punto di equilibrio, la forza in quel punto è nulla. Quindi si annulla il primo ordine del polinomio, e se trascuriamo il terzo ordine, ci rimane proprio una parabola.

Quindi l’interazione diventa del tutto analoga a quella elastica per piccole distanze attorno alla posizione di equilibrio. Il potenziale armonico è uno dei pochissimi casi in cui sappiamo risolvere perfettamente le equazioni, per cui non solo all’universo piace oscillare, ma anche ai fisici piace descrivere interazioni molto complicate, approssimandole, quando possibile, con quelle di un oscillatore.



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