Interferencia de ondas: constructiva y destructiva (con ejemplos)

A veces, cuando una onda viaja a través de un medio, se encuentra con otra onda, que también viaja a través del mismo medio. ¿Qué sucede cuando estas ondas chocan? Resulta que las ondas se combinan de una manera relativamente intuitiva y fácil de calcular. No solo eso, sino que también hay muchas aplicaciones útiles deinterferencia de ondastanto en el laboratorio como en la vida diaria.

Para saber qué hará la combinación de ondas en un punto dado del medio en un momento dado, simplemente agregue lo que harían de forma independiente. Esto se llamaprincipio de superposición​.

Por ejemplo, si dibujara las dos ondas en el mismo gráfico, simplemente sumaría sus amplitudes individuales en cada punto para determinar la onda resultante. A veces, la amplitud resultante tendrá una magnitud combinada mayor en ese punto y, a veces, los efectos de las ondas se cancelarán parcial o completamente entre sí.

Imagínese si tuviéramos la onda A viajando hacia la derecha y la onda B viajando hacia la izquierda. Si miramos un cierto punto en el espacio donde la onda A tenía un desplazamiento hacia arriba de 2 unidades, mientras que la onda B tenía un desplazamiento hacia abajo de 1 unidad, la onda resultante tendría un desplazamiento hacia arriba de 1 unidad: 2 - 1 = 1.

Eninterferencia constructiva, el desplazamiento del medio debe ser en la misma dirección para ambas ondas. Se combinan para formar una sola onda con una amplitud mayor que cualquiera de las ondas individualmente. Para una interferencia constructiva perfecta, las ondas deben estar en fase, es decir, sus picos y valles se alinean perfectamente y tienen el mismo período.

Parainterferencia destructiva, el desplazamiento del medio para una onda es en la dirección opuesta a la de la otra onda. La amplitud de la onda resultante será menor que la de la onda con mayor amplitud.

Para una interferencia destructiva perfecta, donde las ondas se cancelan entre sí para crear amplitud cero, las ondas deben ser exactamente fuera de fase, es decir, el pico de uno se alinea perfectamente con el valle del otro, y tiene el mismo períodoyamplitud. (Si las amplitudes no son las mismas, las ondas no se cancelarán exactamente a cero).

Tenga en cuenta que la interferencia destructiva no detiene la onda; simplemente trae su amplitud en ese lugar particular a cero. La interferencia es lo que sucede cuando las ondas se atraviesan entre sí; una vez que las ondas ya no interactúan, vuelven a sus amplitudes originales.

Las ondas pueden reflejarse en superficies y puntos fijos dondequiera que el medio por el que viajan cambie a un medio diferente.

Si una cuerda está fija en un lado, cualquier onda que viaje a lo largo de la cuerda y que golpee ese punto fijo se reflejará "al revés" o como una versión inversa de la onda original. Si una cuerda está libre en un lado, cualquier onda que viaje a lo largo de la cuerda que golpee el extremo se reflejará en el lado derecho hacia arriba. Si una cuerda está atada a otra cuerda de diferente densidad, cuando una onda golpea esa conexión, parte de ella se reflejará (como si el extremo de la cuerda fuera fijo) y parte de ella continuará.

Cuando una ola en el agua o el aire golpea una superficie, se reflejará en esa superficie en el mismo ángulo que golpeó. A esto se le llama ángulo de incidencia.

Las ondas reflejadas a menudo pueden interferir consigo mismas, lo que, en circunstancias especiales, puede crear un tipo especial de onda conocida como onda estacionaria.

Imagina una cuerda con uno o ambos extremos fijos. Una onda que viaja en esta cuerda que golpea un extremo fijo se reflejará en ese extremo, viajará en la dirección opuesta e interferirá con la onda original que la creó.

Esta interferencia no es necesariamente perfectamente constructiva o destructiva a menos que la longitud de la cuerda sea un múltiplo de la mitad de la longitud de onda de la onda.

[imagen de frecuencias estacionarias fundamentales / armónicas]

Esto crea un patrón de onda estacionaria: ondas originales salientes que interfieren con las ondas reflejadas cuando se mueven en direcciones opuestas. Las ondas que van en direcciones opuestas interfieren entre sí de tal manera que ya no parece que se estén moviendo; en cambio, parece que las secciones de la cuerda simplemente se mueven hacia arriba y hacia abajo en su lugar. Esto ocurre, por ejemplo, en las cuerdas de una guitarra cuando se puntean.

Los puntos de la cuerda que parecen fijos se denominannodos. A mitad de camino entre cada par de nodos hay un punto en la cuerda que alcanza la máxima amplitud; estos puntos se llamanantinodos​.

Lafrecuencia fundamental, oprimer armónico, de una cuerda ocurre cuando la longitud de la cuerda es la mitad de la longitud de onda de la onda. La onda estacionaria se ve entonces como un pico de onda única que vibra hacia arriba y hacia abajo; tiene un antinodo y un nodo en cada extremo de la cadena.

La onda estacionaria con una longitud de cuerda igual a la longitud de onda de la onda se llama segundo armónico; tiene dos antinodos y tres nodos, donde dos nodos están en los extremos y un nodo está en el centro. Los armónicos son muy importantes para la forma en que los instrumentos musicales crean música.

Los auriculares con cancelación de ruido funcionan según el principio de interferencia destructiva de las ondas sonoras. Un micrófono en los auriculares detecta cualquier ruido de bajo nivel a su alrededor, y luego los auriculares emiten ondas sonoras en sus oídos que interfieren destructivamente con el ruido ambiental. Esto cancela completamente el ruido ambiental, lo que le permite escuchar su música y podcasts con mucha más claridad en un entorno ruidoso.

Los silenciadores de los automóviles funcionan de manera similar, aunque de una manera más mecánica. El tamaño de las cámaras en un silenciador está diseñado precisamente de tal manera que una vez que el ruido del motor ingresa al silenciador, interfiere destructivamente con su propio ruido reflejado, haciendo que el automóvil sea más silencioso.

La luz de microondas emitida por su horno de microondas también experimenta interferencias. Hay lugares dentro de su microondas donde las ondas de luz emitidas al interior del horno interfieren de manera constructiva y destructiva, ya sea calentando más o menos la comida. Es por eso que la mayoría de los hornos microondas tienen un plato giratorio en el interior: para evitar que la comida se congele por completo en algunos lugares y hierva en otros. (No es una solución perfecta, ¡pero es mejor que la comida se quede quieta!)

La interferencia de ondas es una consideración muy importante al diseñar salas de conciertos y auditorios. Estas salas pueden tener "puntos muertos", donde el sonido del escenario, reflejado en las superficies de la sala, interfiere destructivamente en un lugar determinado de la audiencia. Esto puede evitarse mediante la colocación cuidadosa de materiales que absorban y reflejen el sonido en las paredes y el techo. Algunas salas de conciertos tendrán parlantes dirigidos a estos lugares para permitir que los miembros de la audiencia sentados allí sigan escuchando correctamente.

Al igual que con otras ondas, las ondas de luz pueden interferir entre sí y pueden difractarse o doblarse alrededor de una barrera o abertura. Una onda difracta más cuando la abertura tiene un tamaño más cercano a la longitud de onda de la onda. Esta difracción causa un patrón de interferencia: regiones donde las ondas se suman y regiones donde las ondas se cancelan entre sí.

Tomemos el ejemplo de la luz que atraviesa una única rendija horizontal. Si imagina una línea recta desde el centro de la rendija hasta la pared, donde esa línea golpea la pared debería ser un punto brillante de interferencia constructiva.

Podemos modelar la luz que pasa a través de la rendija como una línea de múltiples fuentes puntuales que irradian hacia afuera. La luz de las fuentes a la izquierda y a la derecha de la rendija habrá viajado la misma distancia para llegar a este lugar en particular en la pared y, por lo tanto, estará en fase e interferirá constructivamente. El siguiente punto a la izquierda y el siguiente punto a la derecha también interferirán de manera constructiva, y así sucesivamente, creando un máximo brillante en el centro.

El primer lugar donde ocurrirá la interferencia destructiva se puede determinar de la siguiente manera: Imagine la luz viniendo del punto en el extremo izquierdo de la hendidura (punto A) y un punto que viene del medio (punto B). Si la diferencia de trayectoria de cada una de esas fuentes a la pared difiere en 1 / 2λ, 3 / 2λ, etc., interferirán destructivamente.

Si tomamos el siguiente punto a la izquierda y el siguiente punto a la derecha del medio, la diferencia de longitud del camino entre estos dos puntos de origen y los dos primeros serían aproximadamente los mismos, por lo que también serían destructivos interferir.

Este patrón se repite para todos los pares de puntos restantes, lo que significa que si la luz proviene del punto A y del punto B interfiere en un punto dado de la pared, entonces toda la luz que entra por la rendija experimenta interferencia en ese mismo punto.

También se puede obtener un patrón de difracción ligeramente diferente pasando luz a través de dos pequeñas rendijas separadas por la distancia a en un experimento de doble rendija. Aquí vemos interferencia constructiva (puntos brillantes) en la pared cada vez que la diferencia de longitud de trayectoria entre la luz proveniente de las dos rendijas es un múltiplo de la longitud de onda λ.

Los científicos usan la interferencia de ondas todos los días para hacer descubrimientos emocionantes, usando interferómetros. Un interferómetro es un instrumento científico que utiliza la interferencia de ondas de luz para realizar mediciones y realizar experimentos.

Un interferómetro básico toma un rayo láser y lo divide en dos rayos. Un rayo hará cosas muy diferentes o se le harán cosas diferentes, dependiendo de la pregunta que los científicos estén tratando de responder. Luego, los rayos se volverán a combinar, pero las diferentes experiencias que tuvieron los habrán cambiado. Los científicos pueden observar la interferencia de los dos rayos láser ahora diferentes para investigar cuestiones científicas, como la naturaleza de las ondas gravitacionales.

El Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) es un interferómetro gigante que envía sus rayos láser divididos a 4 km (2,5 millas) de distancia y de regreso.

Los haces divididos están en ángulo recto, por lo que si una onda gravitacional pasa a través del interferómetro, afectará a cada haz de manera diferente. Esto significa que interferirán entre sí cuando se recombinen, y el patrón de interferencia les dice a los físicos qué causó las ondas gravitacionales. Así es como LIGO detectó ondas gravitacionales de agujeros negros chocando juntos, un descubrimiento que ganó el Premio Nobel en 2017.