تداخل الموجة: بنائي ومدمّر (ث / أمثلة)

في بعض الأحيان عندما تنتقل الموجة عبر وسط ما ، فإنها تواجه موجة أخرى ، تنتقل أيضًا عبر نفس الوسط. ماذا يحدث عندما تتصادم هذه الموجات؟ اتضح أن الموجات تتحد بطريقة سهلة نسبيًا وسهلة الحساب. ليس ذلك فحسب ، بل هناك أيضًا الكثير من التطبيقات المفيدة لـتدخل الموجةسواء في المختبر أو في الحياة اليومية.

لمعرفة ما ستفعله مجموعة الموجات في نقطة معينة في الوسط في نقطة زمنية معينة ، يمكنك ببساطة إضافة ما سيفعلونه بشكل مستقل. هذا يسمىمبدأ التراكب​.

على سبيل المثال ، إذا كنت سترسم الموجتين على نفس الرسم البياني ، فيمكنك ببساطة إضافة سعة كل منهما عند كل نقطة لتحديد الموجة الناتجة. في بعض الأحيان ، يكون للسعة الناتجة قدر أكبر من الحجم المشترك عند هذه النقطة ، وأحيانًا تلغي تأثيرات الأمواج بعضها البعض جزئيًا أو كليًا.

تخيل لو أن الموجة A تنتقل إلى اليمين والموجة B تنتقل إلى اليسار. إذا نظرنا إلى نقطة معينة في الفضاء حيث يكون للموجة A إزاحة لأعلى بمقدار 2 وحدة ، بينما الموجة B بها عند إزاحة وحدة واحدة لأسفل ، سيكون للموجة الناتجة إزاحة صعودية بمقدار وحدة واحدة: 2-1 = 1.

فيتداخل بناء

لالتدخل الهدام، فإن إزاحة الوسيط لموجة واحدة تكون في الاتجاه المعاكس لاتجاه الموجة الأخرى. سيكون اتساع الموجة الناتجة أقل من الموجة ذات السعة الأكبر.

للتداخل المدمر التام ، حيث تلغي الموجات بعضها البعض لتكوين سعة صفرية ، يجب أن تكون الموجات كذلك خارج الطور تمامًا - مما يعني أن ذروة أحد الصفوف تتماشى تمامًا مع وادي الآخر - ولها نفس الفترةوالسعة. (إذا لم تكن السعات متماثلة ، فلن تلغي الموجات إلى الصفر تمامًا).

لاحظ أن التداخل المدمر لا يوقف الموجة ؛ إنها فقط تجعل اتساعها في ذلك المكان المحدد صفرًا. التداخل هو ما يحدث عندما تمر الموجات عبر بعضها البعض - بمجرد أن تتوقف الموجات عن التفاعل ، فإنها تعود إلى سعاتها الأصلية.

يمكن أن تنعكس الأمواج على الأسطح والنقاط الثابتة أينما تغير الوسط الذي يسافرون فيه إلى وسط مختلف.

إذا تم تثبيت وتر على جانب واحد ، فإن أي موجة تتحرك على طول السلسلة التي تصل إلى تلك النقطة الثابتة ستنعكس عنها "رأسًا على عقب" ، أو كنسخة عكسية من الموجة الأصلية. إذا كان الوتر خاليًا من جانب واحد ، فإن أي موجة تسير على طول الخيط الذي يصل إلى نهايته ستنعكس عنه في الاتجاه الأيمن لأعلى. إذا تم ربط سلسلة بسلسلة أخرى ذات كثافة مختلفة ، فعندما تصطدم موجة بجزء الاتصال هذا سوف ينعكس (كما لو كانت نهاية السلسلة ثابتة) وسيستمر جزء منها.

عندما تصطدم موجة في الماء أو الهواء بسطح ما ، فإنها ستنعكس عن ذلك السطح بنفس الزاوية التي ضربتها. وهذا ما يسمى بزاوية الحادث.

غالبًا ما تتداخل الموجات المنعكسة مع نفسها والتي يمكنها ، في ظروف خاصة ، إنشاء نوع خاص من الموجات يعرف باسم الموجة الواقفة.

تخيل سلسلة ذات طرفي واحد أو كلاهما ثابت. سوف تنعكس الموجة التي تتحرك على هذه السلسلة التي تصل إلى طرف ثابت عن تلك النهاية ، وتنتقل في الاتجاه المعاكس ، وتتداخل مع الموجة الأصلية التي أنشأتها.

هذا التداخل ليس بالضرورة بناءًا أو مدمرًا تمامًا ما لم يكن طول الوتر مضاعفًا لنصف الطول الموجي للموجة.

[صورة للترددات الدائمة الأساسية / التوافقية]

يؤدي هذا إلى إنشاء نمط موجة واقفة: تتداخل الموجات الأصلية الخارجة مع الموجات المنعكسة أثناء تحركها في اتجاهات متعاكسة. الموجات التي تسير في اتجاهات متعاكسة تتداخل مع بعضها البعض بطريقة لا تبدو وكأنها تتحرك ؛ بدلاً من ذلك ، يبدو كما لو أن أقسام السلسلة تتحرك ببساطة لأعلى ولأسفل في مكانها. يحدث هذا ، على سبيل المثال ، في أوتار الجيتار عند نتفها.

يتم استدعاء النقاط الموجودة على السلسلة التي تظهر ثابتةالعقد. في منتصف المسافة بين كل زوج من العقد ، تكون نقطة على السلسلة تصل إلى أقصى سعة ؛ تسمى هذه النقاطantinodes​.

الالتردد الأساسى، أوأول متناسق، من سلسلة تحدث عندما يكون طول السلسلة نصف الطول الموجي للموجة. ثم تبدو الموجة الواقفة وكأنها موجة واحدة تهتز صعودًا وهبوطًا ؛ لها عقدة عكسية واحدة ، وعقدة واحدة على كل طرف من طرفي السلسلة.

الموجة الواقفة بطول سلسلة يساوي الطول الموجي للموجة تسمى الموجة التوافقية الثانية ؛ يحتوي على عقدتين عقيدين وثلاث عقد ، حيث توجد عقدتان في النهايات وعقدة واحدة في المركز. التوافقيات مهمة جدًا لكيفية إنشاء الآلات الموسيقية للموسيقى.

تعمل سماعات إلغاء الضوضاء على مبدأ التداخل المدمر للموجات الصوتية. يكتشف الميكروفون الموجود في سماعات الرأس أي ضوضاء منخفضة المستوى من حولك ، ثم تصدر سماعات الرأس موجات صوتية في أذنيك تتداخل بشكل مدمر مع الضوضاء المحيطة. يؤدي هذا إلى إلغاء الضوضاء المحيطة تمامًا ، مما يتيح لك سماع الموسيقى والبودكاست بشكل أكثر وضوحًا في بيئة صاخبة.

تعمل كاتمات الصوت في السيارات بشكل مشابه ، وإن كان بطريقة ميكانيكية أكثر. تم تصميم حجم الحجرات في كاتم الصوت بدقة بحيث أنه بمجرد دخول ضجيج المحرك إلى كاتم الصوت ، فإنه يتداخل بشكل مدمر مع الضوضاء المنعكسة الخاصة به ، مما يجعل السيارة أكثر هدوءًا.

يتعرض أيضًا ضوء الميكروويف المنبعث من فرن الميكروويف للتداخل. توجد أماكن داخل الميكروويف حيث تتداخل موجات الضوء المنبعثة إلى داخل الفرن بشكل بناء ومدمّر ، مما يؤدي إما إلى تسخين طعامك أكثر أو أقل. هذا هو السبب في أن معظم أفران الميكروويف تحتوي على لوحة دوارة بالداخل: للحفاظ على طعامك من التجمد تمامًا في بعض الأماكن وغليانه في أماكن أخرى. (ليس حلاً مثاليًا ، لكنه أفضل من بقاء الطعام ثابتًا!)

يعد التداخل الموجي أحد الاعتبارات المهمة للغاية عند تصميم قاعات الحفلات الموسيقية والقاعات. يمكن أن تحتوي هذه الغرف على "نقاط ميتة" ، حيث ينعكس الصوت من المسرح على الأسطح في الغرفة ، ويتداخل بشكل مدمر في مكان معين من الجمهور. يمكن منع ذلك من خلال التنسيب الدقيق للمواد الممتصة للصوت والعاكسة للصوت في الجدران والسقف. ستحتوي بعض قاعات الحفلات الموسيقية على مكبرات صوت تستهدف هذه الأماكن لتمكين أعضاء الجمهور الجالسين هناك من الاستماع بشكل صحيح.

تمامًا مثل الموجات الأخرى ، يمكن أن تتداخل موجات الضوء مع بعضها البعض ويمكن أن تنحرف أو تنحني حول حاجز أو فتحة. تنحرف الموجة أكثر عندما تكون الفتحة أقرب في الحجم إلى الطول الموجي للموجة. يتسبب هذا الحيود في نمط تداخل - مناطق تجمع فيها الموجات معًا ومناطق تلغي فيها الموجات بعضها البعض.

لنأخذ مثال الضوء الذي يمر عبر شق أفقي واحد. إذا تخيلت خطًا مستقيمًا من مركز الشق إلى الحائط ، حيث يجب أن يكون هذا الخط ملامسًا للحائط ، فيجب أن يكون نقطة مضيئة للتداخل البناء.

يمكننا نمذجة الضوء المار عبر الشق كخط من مصادر نقطية متعددة تشع جميعها للخارج. سيقطع الضوء من المصادر الموجودة على يسار ويمين الشق نفس المسافة للوصول إلى هذه البقعة المحددة على الحائط ، وبالتالي سيكون في الطور ويتداخل بشكل بنّاء. النقطة التالية على اليسار والنقطة التالية على اليمين ستتداخلان أيضًا بشكل بناء ، وهكذا ، مما يخلق حدًا أقصى ساطعًا في المركز.

يمكن تحديد النقطة الأولى التي يحدث فيها تداخل مدمر على النحو التالي: تخيل الضوء قادمة من النقطة عند الطرف الأيسر للشق (النقطة أ) ونقطة قادمة من المنتصف (النقطة ب). إذا كان اختلاف المسار من كل من هذه المصادر إلى الجدار يختلف بمقدار 1/2 درجة و 3/2 درجة وما إلى ذلك ، فسوف يتداخلون بشكل مدمر.

إذا أخذنا النقطة التالية على اليسار والنقطة التالية على يمين الوسط ، فإن فرق طول المسار بين هاتين النقطتين المصدر والأولين سيكونان متشابهين تقريبًا ، وبالتالي سيكونان مدمرين أيضًا تدخل.

يتكرر هذا النمط لجميع أزواج النقاط المتبقية ، مما يعني أنه إذا كان الضوء قادمًا من النقطة A والنقطة B يتداخل في بقعة معينة على الحائط ، ثم يتعرض كل الضوء القادم من الشق للتداخل عند ذلك نفس المكان.

يمكن أيضًا الحصول على نمط حيود مختلف قليلاً عن طريق تمرير الضوء عبر شقين صغيرين تفصل بينهما مسافة a في تجربة الشق المزدوج. هنا نرى التداخل البناء (النقاط المضيئة) على الحائط في أي وقت يكون اختلاف طول المسار بين الضوء القادم من الشقين مضاعفًا لطول الموجة λ.

يستخدم العلماء تداخل الموجات كل يوم لتحقيق اكتشافات مثيرة باستخدام مقاييس التداخل. مقياس التداخل هو أداة علمية تستخدم تداخل موجات الضوء لإجراء القياسات وإجراء التجارب.

يأخذ مقياس التداخل الأساسي شعاع الليزر ويقسمه إلى حزمتين. ستعمل الحزمة الواحدة أشياء مختلفة جدًا أو تنفذ أشياء مختلفة بها ، اعتمادًا على السؤال الذي يحاول العلماء الإجابة عليه. سيتم بعد ذلك إعادة تجميع الحزم ، لكن التجارب المختلفة التي مروا بها ستكون قد غيرتهم. يمكن للعلماء النظر في تداخل شعاعي الليزر المختلفين الآن للتحقيق في الأسئلة العلمية ، مثل طبيعة موجات الجاذبية.

مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) هو مقياس تداخل عملاق يرسل أشعة الليزر المنقسمة على بعد 2.5 ميل (4 كم) والعودة.

تكون الحزم المنقسمة بزاوية قائمة ، لذلك إذا مرت موجة جاذبية عبر مقياس التداخل ، فإنها ستؤثر على كل شعاع بشكل مختلف. هذا يعني أنهما سيتداخلان مع بعضهما البعض عند إعادة اتحادهما ، ويخبر نمط التداخل الفيزيائيين عن سبب موجات الجاذبية. هذه هي الطريقة التي اكتشف بها LIGO موجات الجاذبية من الثقوب السوداء التي اصطدمت ببعضها البعض ، وهو اكتشاف فاز بجائزة نوبل في عام 2017.