Вълнова интерференция: конструктивна и разрушителна (с примери)

Понякога, докато вълната пътува през среда, тя среща друга вълна, също пътуваща през същата среда. Какво се случва, когато тези вълни се сблъскат? Оказва се, че вълните се комбинират по относително интуитивен, лесен за изчисляване начин. Не само това, но има и много полезни приложения навълнова интерференциякакто в лабораторията, така и във всекидневния живот.

За да знаете какво ще направи комбинацията от вълни за дадена точка в средата в даден момент от времето, просто добавяте какво биха правили независимо. Това се наричапринцип на суперпозицията​.

Например, ако трябва да нанесете двете вълни на една и съща графика, просто ще добавите техните индивидуални амплитуди във всяка точка, за да определите резултантната вълна. Понякога получената амплитуда ще има по-голяма комбинирана величина в тази точка, а понякога ефектите на вълните ще се отменят частично или напълно взаимно.

Представете си, ако имахме вълна A, пътуваща вдясно, и вълна B, пътуваща вляво. Ако погледнем определена точка в пространството, където вълната А е имала изместване нагоре от 2 единици, докато вълна Б е имала изместване надолу от 1 единица, получената вълна ще има изместване нагоре от 1 единица: 2 - 1 = 1.

Вконструктивна намеса, изместването на средата трябва да бъде в една и съща посока и за двете вълни. Те се комбинират заедно, за да направят една вълна с по-голяма амплитуда, отколкото всяка от вълните поотделно. За перфектна конструктивна намеса вълните трябва да са във фаза - което означава, че върховете и долините им се подреждат перфектно - и да имат същия период.

Заразрушителна намеса, изместването на средата за едната вълна е в посока, обратна на тази на другата вълна. Амплитудата на получената вълна ще бъде по-малка от тази на вълната с по-голяма амплитуда.

За перфектна разрушителна намеса, където вълните се отменят взаимно, за да създадат нулева амплитуда, вълните трябва да бъдат точно извън фазата - което означава, че пикът на единия се подрежда идеално с долината на другия - и има същия периодиамплитуда. (Ако амплитудите не са еднакви, вълните няма да се оттеглят до нула.)

Имайте предвид, че разрушителните смущения не спират вълната; той просто довежда амплитудата си на това място до нула. Интерференцията е това, което се случва, когато вълните преминават една през друга - след като вълните вече не си взаимодействат, те се връщат към първоначалните си амплитуди.

Вълните могат да отразяват повърхности и неподвижни точки навсякъде, където средата, която пътуват, се променя в различна среда.

Ако низ е фиксиран от едната страна, всяка вълна, пътуваща по струната, която удари тази неподвижна точка, ще се отразява от нея „с главата надолу“ или като обратна версия на оригиналната вълна. Ако низ е свободен от едната страна, всяка вълна, пътуваща по струната, която удари края, ще се отразява от него с дясната страна нагоре. Ако низ е свързан с друг низ с различна плътност, когато вълна удари тази част от връзката ще отрази (сякаш краят на низа е фиксиран) и част от него ще продължи.

Когато вълна във вода или въздух удари повърхността, тя ще се отрази от тази повърхност под същия ъгъл, в който е ударила. Това се нарича ъгъл на падане.

Отразените вълни често могат да си пречат, което при специални обстоятелства може да създаде специален вид вълна, известна като стояща вълна.

Представете си низ с единия или двата края фиксирани. Вълна, пътуваща по този низ, който удря фиксиран край, ще се отрази от този край, пътувайки в обратна посока, и ще попречи на първоначалната вълна, която го е създала.

Тази намеса не е непременно напълно конструктивна или разрушителна, освен ако дължината на струната не е кратна на половината от дължината на вълната на вълната.

[изображение на основни / хармонични стоящи честоти]

Това създава модел на постоянна вълна: изходящи оригинални вълни, които пречат на отразените вълни, докато се движат в противоположни посоки. Вълните, които се движат в противоположни посоки, си пречат помежду си по такъв начин, че вече не изглеждат така, сякаш се движат; вместо това изглежда, че секциите от низа просто се движат нагоре и надолу на мястото си. Това се случва например в струните на китара, когато са изтръгнати.

Извикват се точките на низа, които изглеждат фиксиранивъзли. По средата между всяка двойка възли е точка от низа, която достига максимална амплитуда; тези точки се наричатантиноди​.

Theосновна честота, илипърва хармоника, на низ се получава, когато дължината на струната е половината от дължината на вълната на вълната. Тогава стоящата вълна изглежда като един вълнен пик, вибриращ нагоре и надолу; той има по един антинод и по един възел на всеки край на низа.

Постоянната вълна с дължина на струната, равна на дължината на вълната на вълната, се нарича втора хармоника; той има два антинода и три възела, където два възела са в краищата, а един възел е в центъра. Хармониците са много важни за това как музикалните инструменти създават музика.

Слушалките с шумопотискане работят на принципа на разрушителната намеса на звуковите вълни. Микрофонът на слушалките засича всякакъв шум от ниско ниво около вас и след това слушалките излъчват в ушите ви звукови вълни, които разрушително пречат на околния шум. Това премахва напълно околния шум, позволявайки ви да чувате музиката и подкастите си много по-ясно в шумна среда.

Ауспусите на автомобилите работят по подобен начин, макар и по-механично. Размерите на камерите в ауспуха са прецизно проектирани така, че след като шумът от двигателя навлезе в ауспуха, той разрушително пречи на собствения си отражен шум, правейки автомобила по-тих.

Микровълновата светлина, излъчвана от вашата микровълнова фурна, също изпитва смущения. Във вашата микровълнова печка има места, където светлинните вълни, излъчвани във вътрешността на фурната, конструктивно и разрушително пречат, или нагряват храната ви повече или по-малко. Ето защо повечето микровълнови фурни имат въртяща се плоча вътре: за да предпазите храната си от пълно замразяване на някои места и кипене на други. (Не е перфектно решение, но е по-добро от храната, която остава неподвижна!)

Вълновата намеса е много важно съображение при проектирането на концертни зали и аудитории. Тези стаи могат да имат „мъртви точки“, където звукът от сцената, отразен от повърхностите в стаята, разрушително се намесва на определено място в публиката. Това може да бъде предотвратено чрез внимателно поставяне на звукопоглъщащи и отразяващи звука материали в стените и тавана. Някои концертни зали ще имат високоговорители, насочени към тези места, за да могат членовете на публиката, които седят там, да чуват все така правилно.

Точно както при другите вълни, светлинните вълни могат да се намесват помежду си и могат да дифрагират или да се огъват около бариера или отвор. Вълната се дифраква повече, когато отворът е по-близък по размер до дължината на вълната на вълната. Тази дифракция причинява интерференционен модел - региони, където вълните се събират, и региони, където вълните се отменят взаимно.

Да вземем за пример светлината, преминаваща през един хоризонтален процеп. Ако си представите права линия от центъра на процепа до стената, където тази линия удря стената, трябва да бъде ярко място на конструктивна намеса.

Можем да моделираме светлината, преминаваща през процепа, като линия от множество точкови източници, които всички излъчват навън. Светлината от източници вляво и отдясно на процепа ще е изминала едно и също разстояние, за да стигне до това конкретно място на стената, и така ще бъде във фаза и конструктивно ще пречи. Следващата точка отляво и следващата отдясно също ще се намесят конструктивно и т.н., създавайки ярък максимум в центъра.

Първото място, където ще възникне разрушителна намеса, може да се определи, както следва: Представете си светлината идващи от точката в левия край на процепа (точка А) и точка, идваща от средата (точка Б). Ако разликата в пътя от всеки от тези източници до стената се различава с 1 / 2λ, 3 / 2λ и т.н., тогава те ще разрушат разрушително.

Ако вземем следващата точка вляво и следващата точка вдясно от средата, разликата в дължината на пътя между тези две изходни точки и първите две биха били приблизително еднакви и така те също биха били разрушителни намесва.

Този модел се повтаря за всички останали двойки точки, което означава, че ако светлината идва от точка А и точка Б пречи на дадено място на стената, тогава цялата светлина, идваща през процепа, изпитва смущения в това същото място.

Малко различен модел на дифракция може да се получи и чрез преминаване на светлина през два малки процепа, разделени на разстояние а в експеримент с двоен процеп. Тук виждаме конструктивни смущения (ярки петна) по стената по всяко време, когато разликата в дължината на пътя между светлината, идваща от двата процепа, е кратна на дължината на вълната λ.

Учените използват интерференция на вълните всеки ден, за да направят вълнуващи открития, използвайки интерферометри. Интерферометърът е научен инструмент, който използва интерференцията на светлинните вълни за извършване на измервания и извършване на експерименти.

Основен интерферометър взема лазерен лъч и го разделя на два лъча. Един лъч ще направи много различни неща или ще направи различни неща, в зависимост от въпроса, който учените се опитват да отговорят. След това лъчите ще бъдат рекомбинирани, но различното преживяване, което са имали, ще ги промени. Учените могат да разгледат намесата на двата различни сега лазерни лъча, за да изследват научни въпроси, като природата на гравитационните вълни.

Обсерваторията за гравитационни вълни на лазерния интерферометър (LIGO) е гигантски интерферометър, който изпраща своите разделени лазерни лъчи на разстояние 4 км (4 км) и обратно.

Разделените лъчи са под прав ъгъл, така че ако гравитационна вълна премине през интерферометъра, това ще повлияе на всеки лъч по различен начин. Това означава, че те ще си пречат помежду си, когато бъдат рекомбинирани, а моделът на интерференция разказва на физиците какво е причинило гравитационните вълни. По този начин LIGO открива гравитационни вълни от черни дупки, които се разбиват заедно, откритие, спечелило Нобеловата награда през 2017 г.