Bølgeinterferens: Konstruktiv og destruktiv (med eksempler)

Nogle gange når en bølge bevæger sig gennem et medium, støder den på en anden bølge, der også rejser gennem det samme medium. Hvad sker der, når disse bølger kolliderer? Det viser sig, at bølgerne kombineres på en relativt intuitiv måde, der er let at beregne. Ikke kun det, men der er også masser af nyttige anvendelser afbølgeforstyrrelserbåde i laboratoriet og i hverdagen.

For at vide, hvad kombinationen af ​​bølger vil gøre med et givet punkt i mediet på et givet tidspunkt, tilføjer du blot, hvad de ville gøre uafhængigt. Dette kaldesprincippet om superposition​.

For eksempel, hvis du skulle plotte de to bølger på den samme graf, tilføjede du simpelthen deres individuelle amplituder på hvert punkt for at bestemme den resulterende bølge. Undertiden vil den resulterende amplitude have en større kombineret størrelse på det tidspunkt, og nogle gange vil virkningerne af bølgerne helt eller delvis annullere hinanden.

Forestil dig, hvis vi havde bølge A, der rejser til højre og bølge B, der rejser til venstre. Hvis vi ser på et bestemt punkt i rummet, hvor bølge A havde en forskydning opad på 2 enheder, mens bølge B havde en forskydning nedad på 1 enhed, vil den resulterende bølge have en opadgående forskydning på 1 enhed: 2 - 1 = 1.

Ikonstruktiv indblanding, skal forskydningen af ​​mediet være i samme retning for begge bølger. De kombineres sammen for at skabe en enkelt bølge med større amplitude end hver bølge individuelt. For perfekt konstruktiv indblanding skal bølgerne være i fase - hvilket betyder, at deres toppe og dale er perfekt opstillet - og have samme periode.

Tildestruktiv indblanding, er forskydningen af ​​mediet for en bølge i den modsatte retning af den for den anden bølge. Amplituden for den resulterende bølge vil være mindre end bølgen med den større amplitude.

For perfekt destruktiv interferens, hvor bølgerne annullerer hinanden for at skabe nul amplitude, skal bølgerne være nøjagtigt ude af fase - hvilket betyder, at den ene toppes perfekt med den andens dal - og har samme periodeogamplitude. (Hvis amplituderne ikke er de samme, annulleres bølgerne ikke til nøjagtigt nul.)

Bemærk, at destruktiv interferens ikke stopper bølgen; det bringer bare sin amplitude på det pågældende sted til nul. Interferens er, hvad der sker, når bølger passerer hinanden - når bølgerne ikke længere interagerer, vender de tilbage til deres oprindelige amplituder.

Bølger kan reflektere ud af overflader og faste punkter, uanset hvor mediet de bevæger sig gennem, skifter til et andet medium.

Hvis en streng er fastgjort på den ene side, vil enhver bølge, der bevæger sig langs strengen, der rammer det faste punkt, reflektere ud af den "på hovedet" eller som en omvendt version af den oprindelige bølge. Hvis en streng er fri på den ene side, reflekteres enhver bølge, der rejser langs strengen, der rammer enden, ud af den med højre side opad. Hvis en streng er bundet til en anden streng med en anden tæthed, reflekteres en del af den, når en bølge rammer den (som om enden af ​​strengen var fast), og en del af den fortsætter.

Når en bølge i vand eller luft rammer en overflade, reflekteres den af ​​overfladen i samme vinkel, som den ramte. Dette kaldes hændelsesvinklen.

Reflekterede bølger kan ofte forstyrre sig selv, som under særlige omstændigheder kan skabe en speciel slags bølge kendt som en stående bølge.

Forestil dig en streng med den ene eller begge ender fast. En bølge, der bevæger sig på denne streng, der rammer en fast ende, reflekteres fra den ende, bevæger sig i den modsatte retning og forstyrrer den oprindelige bølge, der skabte den.

Denne interferens er ikke nødvendigvis perfekt konstruktiv eller destruktiv, medmindre strengens længde er et multiplum af halvdelen af ​​bølgens bølgelængde.

[billede af grundlæggende / harmoniske stående frekvenser]

Dette skaber et stående bølgemønster: udgående originale bølger, der forstyrrer reflekterede bølger, når de bevæger sig i modsatte retninger. Bølgerne, der går i modsatte retninger, forstyrrer hinanden på en sådan måde, at de ikke længere ser ud som de bevæger sig; i stedet ser det ud som om sektioner af strengen simpelthen bevæger sig op og ned på plads. Dette sker for eksempel i guitarstrenge, når de plukkes.

De punkter på strengen, der ser ud til at være faste, kaldesnoder. Midtvejs mellem hvert par noder er der et punkt på strengen, der når maksimal amplitude; disse punkter kaldesantinoder​.

Detgrundlæggende frekvens, ellerførste harmoniske, af en streng opstår, når længden af ​​strengen er halvdelen af ​​bølgelængden af ​​bølgen. Den stående bølge ligner derefter en enkelt bølgetop, der vibrerer op og ned; den har en antinode og en node i hver ende af strengen.

Den stående bølge med strenglængde lig med bølgelængden af ​​bølgen kaldes den anden harmoniske; den har to antinoder og tre noder, hvor to noder er i enderne, og en node er i midten. Harmonik er meget vigtig for, hvordan musikinstrumenter skaber musik.

Støjreducerende hovedtelefoner fungerer på princippet om destruktiv interferens af lydbølger. En mikrofon på hovedtelefonerne registrerer enhver støj med lavt niveau omkring dig, og derefter udsender hovedtelefonerne lydbølger i dine ører, der destruktivt forstyrrer den omgivende støj. Dette annullerer den omgivende støj helt, så du kan høre din musik og podcasts meget tydeligere i støjende omgivelser.

Lyddæmpere på biler fungerer på samme måde, men på en mere mekanisk måde. Størrelsen på kamrene i en lyddæmper er nøjagtigt designet således, at når motorstøj kommer ind i lyddæmperen, forstyrrer den destruktivt sin egen reflekterede støj, hvilket gør bilen mere støjsvag.

Mikrobølge lys udsendt af din mikrobølgeovn oplever også interferens. Der er placeringer inde i din mikrobølgeovn, hvor lysbølger, der udsendes i ovnens indre, konstruktivt og destruktivt interfererer, enten opvarmer din mad mere eller mindre. Dette er grunden til, at de fleste mikrobølgeovne har en roterende plade indeni: for at forhindre, at din mad bliver helt frossen nogle steder og koger i andre. (Ikke en perfekt løsning, men det er bedre end maden forbliver stille!)

Bølgeforstyrrelser er en meget vigtig overvejelse ved design af koncertsale og auditorier. Disse rum kan have "døde pletter", hvor lyden fra scenen, reflekteret fra overfladerne i rummet, destruktivt interfererer på et bestemt sted i publikum. Dette kan forhindres ved omhyggelig placering af lydabsorberende og lydreflekterende materialer i væggene og loftet. Nogle koncertsale vil have højttalere rettet mod disse steder for at gøre det muligt for publikumsmedlemmerne der stadig at høre ordentligt.

Ligesom med andre bølger kan lysbølger interferere med hinanden og kan diffrigere eller bøje sig omkring en barriere eller åbning. En bølge diffrakterer mere, når åbningen er tættere i størrelse på bølgelængden. Denne diffraktion forårsager et interferensmønster - regioner hvor bølgerne tilføjes sammen og regioner hvor bølgerne annullerer hinanden.

Lad os tage eksemplet med lys, der går gennem en enkelt vandret slids. Hvis du forestiller dig en lige linje fra midten af ​​spalten til væggen, hvor linjen rammer væggen, skal det være et lyspunkt med konstruktiv interferens.

Vi kan modellere lyset, der passerer gennem spalten, som en linje med flere punktkilder, der alle udstråler udad. Lys fra kilder til venstre og højre for spalten vil have kørt den samme afstand for at komme til netop dette sted på væggen, og det vil således være i fase og konstruktivt interferere. Det næste punkt ind til venstre og det næste punkt ind til højre interfererer også konstruktivt og så videre og skaber et lyst maksimum i midten.

Det første sted, hvor destruktiv interferens vil forekomme, kan bestemmes som følger: Forestil dig lyset kommer fra punktet i venstre ende af spalten (punkt A) og et punkt, der kommer fra midten (punkt B). Hvis stiforskellen fra hver af disse kilder til væggen adskiller sig med 1 / 2λ, 3 / 2λ og så videre, vil de destruktivt interferere.

Hvis vi tager det næste punkt ind til venstre og det næste punkt til højre for midten, er stien længdeforskel mellem disse to kildepunkter og de to første ville være omtrent det samme, og så ville de også destruktivt blande.

Dette mønster gentages for alle resterende par af punkter, hvilket betyder, at hvis lys kommer fra punkt A og punkt B interfererer på et givet sted på væggen, så oplever alt lyset, der kommer gennem spalten, interferens ved det samme sted.

Et lidt andet diffraktionsmønster kan også opnås ved at passere lys gennem to små spalter adskilt af afstand a i et dobbelt-spalteeksperiment. Her ser vi konstruktiv interferens (lyse pletter) på væggen når som helst, hvor forskellen på stellængden mellem lys, der kommer fra de to spalter, er et multiplum af bølgelængden λ.

Forskere bruger bølgeforstyrrelser hver dag for at gøre spændende opdagelser ved hjælp af interferometre. Et interferometer er et videnskabeligt instrument, der bruger interferens fra lysbølger til at foretage målinger og udføre eksperimenter.

Et grundlæggende interferometer tager en laserstråle og deler den i to stråler. En stråle vil gøre meget forskellige ting eller have forskellige ting gjort, afhængigt af det spørgsmål forskerne prøver at besvare. Bjælkerne rekombineres derefter, men de forskellige oplevelser, de havde, har ændret dem. Forskere kan se på interferensen af ​​de to nu forskellige laserstråler for at undersøge videnskabelige spørgsmål, som arten af ​​tyngdekraftsbølger.

Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) er et kæmpe interferometer, der sender sine splittede laserstråler 4 km væk og tilbage.

Opdelte bjælker er i en ret vinkel, så hvis en gravitationsbølge passerer gennem interferometeret, vil det påvirke hver stråle forskelligt. Dette betyder, at de vil forstyrre hinanden, når de rekombineres, og interferensmønsteret fortæller fysikere om, hvad der forårsagede tyngdebølgerne. Sådan opdagede LIGO tyngdebølger fra sorte huller, der styrtede sammen, en opdagelse, der vandt Nobelprisen i 2017.