Lainehäire: konstruktiivne ja hävitav (koos näidetega)

Mõnikord satub laine meediumist läbi liikudes teise lainega, liikudes samuti läbi sama meediumi. Mis juhtub, kui need lained põrkuvad? Selgub, et lained kombineeruvad suhteliselt intuitiivselt, hõlpsasti arvutataval viisil. Vähe sellest, vaid on ka palju kasulikke rakendusilainete sekkuminenii laboris kui ka igapäevaelus.

Et teada saada, mida lainete kombinatsioon keskkonnas antud ajahetkel antud punktis teeb, lisate lihtsalt selle, mida nad teeksid iseseisvalt. Seda nimetataksesuperpositsiooni põhimõte​.

Näiteks kui peaksite joonistama need kaks lainet samale graafikule, lisaksite saadud laine määramiseks igas punktis lihtsalt nende individuaalsed amplituudid. Mõnikord on saadud amplituudil selles punktis suurem kombineeritud suurus ja mõnikord tühistavad lainete mõjud üksteist osaliselt või täielikult.

Kujutage ette, kui meil oleks laine A liikumas paremale ja laine B vasakule. Kui vaatame teatud ruumipunkti, kus laine A nihkus ülespoole 2 ühikut, samal ajal kui laine B seda oli 1 ühiku allapoole suunatud nihke korral oleks saadud laine 1 ühiku ülespoole nihkumine: 2 - 1 = 1.

Sissekonstruktiivne sekkumine, peab keskkonna nihe olema mõlema laine jaoks samas suunas. Nad kombineeruvad ja moodustavad ühe laine suurema amplituudiga kui kumbki laine eraldi. Täiusliku konstruktiivse sekkumise tagamiseks peavad lained olema faasis - see tähendab, et nende tipud ja orud paiknevad ideaalselt üksteise järel - ja neil peab olema sama periood.

Sesthävitav sekkumine, on ühe laine keskmise keskkonna nihe teise laine omaga vastupidises suunas. Saadud laine amplituud on väiksem kui suurema amplituudiga lainel.

Täiusliku hävitava interferentsi jaoks, kus lained tühistavad üksteise, et tekitada nullamplituudi, peavad lained olema täpselt faasist väljas - see tähendab, et ühe tipp paikneb ideaalselt teise oruga - ja neil on sama perioodjaamplituud. (Kui amplituudid pole ühesugused, ei kustu lained täpselt nulli.)

Pange tähele, et hävitav sekkumine ei peata lainet; see lihtsalt viib selle amplituudi selles konkreetses kohas nulli. Häire on see, mis juhtub, kui lained läbivad üksteist - kui lained enam ei suhtle, lähevad nad tagasi oma algsesse amplituudi.

Lained võivad pinnadelt ja fikseeritud punktidelt peegelduda, kui meedium, mille kaudu nad reisivad, muutub teiseks.

Kui string on fikseeritud ühele küljele, peegeldub seda fikseerivat punkti tabav laine mööda seda stringi "tagurpidi" või algse laine pöördversioonina. Kui string on ühel küljel vaba, peegeldub kõik mööda nööri liikuv laine, mis tabab otsa, paremalt ülespoole. Kui string on seotud teise erineva tihedusega stringiga, peegeldub laine tabades selle ühenduse osa (nagu oleks stringi lõpp fikseeritud) ja osa sellest jätkub.

Kui vees või õhus olev laine põrkub pinnale, peegeldub see pinnalt sama nurga all, nagu ta tabas. Seda nimetatakse langemisnurgaks.

Peegeldunud lained võivad sageli end segada, mis erilistel asjaoludel võib tekitada spetsiaalse laine, mida nimetatakse seisvaks laineks.

Kujutage ette stringi, mille üks või mõlemad otsad on fikseeritud. Sellel stringil liikuv laine, mis tabab fikseeritud otsa, peegeldub sellest otsast välja, liikudes vastupidises suunas ja häirib selle tekitanud algset lainet.

See sekkumine pole tingimata ideaalselt konstruktiivne või hävitav, välja arvatud juhul, kui stringi pikkus on poole laine lainepikkuse mitmekordne.

[põhi- / harmooniliste seisusageduste kujutis]

See loob püsiva lainemustri: väljuvad alglained häirivad vastassuunas liikudes peegeldunud laineid. Vastassuunas kulgevad lained segavad üksteist nii, et nad ei paista enam välja nagu nad liiguksid; selle asemel tundub, et stringi sektsioonid liiguksid lihtsalt oma kohale üles ja alla. See juhtub näiteks kitarrikeeltes, kui neid kitkutakse.

Nimetatakse stringi fikseeritud punktidsõlmed. Iga sõlmpaaripaari keskel on stringil punkt, mis saavutab maksimaalse amplituudi; neid punkte nimetatakseantinoodid​.

Thepõhisagedusvõiesimene harmooniline, string tekib siis, kui stringi pikkus on pool laine lainepikkusest. Seisev laine näeb siis välja nagu ühe laine tipp, mis vibreerib üles ja alla; sellel on stringi mõlemas otsas üks antinood ja üks sõlm.

Seisvat lainet, mille stringi pikkus on võrdne laine lainepikkusega, nimetatakse teiseks harmooniliseks; sellel on kaks antinoodi ja kolm sõlme, kus kaks sõlme on otstes ja üks sõlm keskel. Harmoonilised on muusikariistade loomisel väga olulised.

Mürasummutavad kõrvaklapid töötavad helilainete hävitava interferentsi põhimõttel. Mikrofon kõrvaklappidel tuvastab teie ümber igasuguse madala mürataseme ja seejärel paiskavad kõrvaklapid teie kõrvu helilaineid, mis häirivad hävitavalt ümbritsevat müra. See kustutab ümbritseva müra täielikult, võimaldades teil oma muusikat ja taskuhäälingusaateid mürarikkas keskkonnas palju selgemini kuulda.

Autode summutid töötavad sarnaselt, ehkki mehaanilisemalt. Summuti kambrite suurus on täpselt selline, et kui mootorimüra summutisse satub, segab see hävitavalt enda peegelduvat müra, muutes auto vaiksemaks.

Mikrolaineahju kiiratav mikrolainevalgus kogeb samuti häireid. Teie mikrolaineahjus on kohti, kus ahju sisemusse eralduvad valguslained konstruktiivselt ja hävitavalt segavad, kas kuumutades teie toitu enam-vähem. Sellepärast on enamikul mikrolaineahjudel sees pöörlev plaat: et teie toit ei oleks mõnes kohas täielikult külmunud ja teises keeks. (Pole ideaalne lahendus, kuid see on parem kui toit jääb paigale!)

Lainete sekkumine on kontserdisaalide ja auditooriumide kujundamisel väga oluline kaalutlus. Nendes ruumides võivad olla "surnud kohad", kus lava heli, mis peegeldub ruumis olevatelt pindadelt, häirib publiku teatud kohta destruktiivselt. Seda saab vältida heli neelavate ja heli peegeldavate materjalide ettevaatliku paigutamisega seintesse ja lagedesse. Mõnes kontserdisaalis on nendele kohtadele suunatud kõlarid, mis võimaldavad seal istuvatel publikuliikmetel ikka korralikult kuulda.

Nii nagu teiste lainete puhul, võivad ka valguslained üksteist häirida ja võivad tõkke või ava ümber hajuda või painduda. Laine hajub rohkem, kui ava suurus on laine lainepikkusele lähemal. See difraktsioon põhjustab häiremustrit - piirkonnad, kus lained liituvad, ja piirkonnad, kus lained üksteist tühistavad.

Võtame näiteks valguse, mis läbib ühe horisontaalse pilu. Kui kujutate ette sirgjoont pilu keskelt seinani, kus see joon seina tabab, peaks see olema konstruktiivse sekkumise särav koht.

Pilu läbivat valgust saame modelleerida mitme punktallika joonena, mis kõik kiirgavad väljapoole. Pilu vasakul ja paremal asuvatest allikatest pärinev valgus on läbinud sama kauguse, et jõuda selle konkreetse seina kohale, ja on seega faasiline ning häirib konstruktiivselt. Järgmine vasakpoolne punkt ja paremal järgmine punkt segavad ka konstruktiivselt ja nii edasi, luues keskel ereda maksimumi.

Esimese koha, kus hävitavad häired toimuvad, saab määrata järgmiselt: Kujutage ette valgust pilu vasakus otsas asuvast punktist (punkt A) ja keskelt tulevast punktist (punkt B). Kui teekonna erinevus nende allikate ja seina vahel erineb 1 / 2λ, 3 / 2λ ja nii edasi, siis need häirivad hävitavalt.

Kui võtame järgmise punkti vasakult ja järgmise punkti keskelt paremale, siis teepikkuse erinevus nende kahe lähtepunkti ja kahe esimese vahel oleksid ligikaudu samad ja seega ka need hävitavalt segama.

See muster kordub kõigi ülejäänud punktide paaride puhul, mis tähendab, et kui valgus tuleb punktist A ja punktist B häirib seina antud kohta, siis kogeb kogu pilu kaudu tulev valgus seda sama koht.

Pisut erineva difraktsioonimustri võib saada ka valguse läbimisel kahest pilust läbi kahe väikese pilu, mis on eraldatud kaugusega a. Siin näeme seinal konstruktiivseid häireid (eredad laigud) igal ajal, kui kahest pilust tulev valguse tee pikkuse erinevus on lainepikkuse λ mitmekordne.

Teadlased kasutavad lainemõjutusi interferomeetrite abil iga päev põnevate avastuste tegemiseks. Interferomeeter on teadusinstrument, mis kasutab valguslainete interferentsi mõõtmiste tegemiseks ja eksperimentide läbiviimiseks.

Põhiline interferomeeter võtab laserkiire ja jagab selle kaheks kiireks. Üks kiir teeb väga erinevaid asju või laseb teha erinevaid asju, sõltuvalt küsimusest, mida teadlased püüavad vastata. Seejärel ühendatakse talad uuesti, kuid erinevad kogemused on neid muutnud. Teadlased saavad uurida kahe nüüd juba erineva laserkiire interferentsi, et uurida teaduslikke küsimusi, näiteks gravitatsioonilainete olemust.

Laserinterferomeetri gravitatsioonilaine vaatluskeskus (LIGO) on hiiglaslik interferomeeter, mis saadab oma jagatud laserkiired 4, 5 miili (4 miili) kaugusele ja tagasi.

Jagatud kiired on täisnurga all, nii et kui gravitatsioonilaine läbib interferomeetrit, mõjutab see igat kiirt erinevalt. See tähendab, et rekombineerimisel segavad nad üksteist ja interferentsimuster räägib füüsikutele, mis põhjustasid gravitatsioonilaineid. Nii tuvastas LIGO gravitatsioonilaineid kokku kukkunud mustadest aukudest - avastus, mis pälvis 2017. aastal Nobeli preemia.