Interférence des ondes: constructive et destructive (avec exemples)

Parfois, lorsqu'une onde traverse un milieu, elle rencontre une autre onde, qui traverse également le même milieu. Que se passe-t-il lorsque ces ondes se heurtent? Il s'avère que les ondes se combinent de manière relativement intuitive et facile à calculer. Non seulement cela, mais il existe également de nombreuses applications utiles deinterférence d'ondeaussi bien en laboratoire que dans la vie de tous les jours.

Pour savoir ce que la combinaison d'ondes va faire à un point donné du milieu à un moment donné, il suffit d'ajouter ce qu'elles feraient indépendamment. C'est ce qu'on appelle leprincipe de superposition​.

Par exemple, si vous deviez tracer les deux ondes sur le même graphique, vous ajouteriez simplement leurs amplitudes individuelles à chaque point pour déterminer l'onde résultante. Parfois, l'amplitude résultante aura une amplitude combinée plus grande à ce point, et parfois les effets des vagues s'annuleront partiellement ou complètement.

Imaginez si nous avions la vague A se déplaçant vers la droite et la vague B se déplaçant vers la gauche. Si nous regardons un certain point dans l'espace où la vague A avait un déplacement vers le haut de 2 unités, tandis que la vague B avait un déplacement vers le bas de 1 unité, l'onde résultante aurait un déplacement vers le haut de 1 unité: 2 - 1 = 1.

Dansinterférence constructive, le déplacement du milieu doit être dans le même sens pour les deux ondes. Ils se combinent pour former une seule vague avec une plus grande amplitude que l'une ou l'autre vague individuellement. Pour une interférence constructive parfaite, les ondes doivent être en phase - c'est-à-dire que leurs pics et leurs vallées s'alignent parfaitement - et avoir la même période.

Pourinterférence destructrice, le déplacement du milieu pour une onde est en sens inverse de celui de l'autre onde. L'amplitude de l'onde résultante sera inférieure à celle de l'onde avec la plus grande amplitude.

Pour une interférence destructrice parfaite, où les ondes s'annulent pour créer une amplitude nulle, les ondes doivent être exactement déphasé - ce qui signifie que le pic de l'un s'aligne parfaitement avec la vallée de l'autre - et ont la même périodeetamplitude. (Si les amplitudes ne sont pas les mêmes, les ondes ne s'annuleront pas exactement à zéro.)

Notez que les interférences destructrices n'arrêtent pas l'onde; il ramène simplement son amplitude à cet endroit particulier à zéro. L'interférence est ce qui se produit lorsque les ondes se traversent - une fois que les ondes n'interagissent plus, elles retrouvent leurs amplitudes d'origine.

Les ondes peuvent se refléter sur les surfaces et les points fixes, quel que soit l'endroit où le milieu qu'elles traversent passe à un autre milieu.

Si une chaîne est fixée d'un côté, toute onde se déplaçant le long de la chaîne qui frappe ce point fixe se reflétera sur elle "à l'envers", ou comme une version inversée de l'onde d'origine. Si une ficelle est libre d'un côté, toute onde se déplaçant le long de la ficelle qui atteint l'extrémité se reflétera à l'endroit. Si une chaîne est liée à une autre chaîne de densité différente, lorsqu'une vague frappe cette connexion, une partie de celle-ci se reflétera (comme si l'extrémité de la chaîne était fixée) et une partie continuera.

Lorsqu'une vague dans l'eau ou l'air frappe une surface, elle se reflétera sur cette surface sous le même angle qu'elle a frappé. C'est ce qu'on appelle l'angle incident.

Les ondes réfléchies peuvent souvent interférer avec elles-mêmes, ce qui peut, dans des circonstances particulières, créer un type particulier d'onde appelée onde stationnaire.

Imaginez une chaîne avec une ou les deux extrémités fixées. Une onde se déplaçant sur cette corde qui frappe une extrémité fixe se reflétera sur cette extrémité, se déplaçant dans la direction opposée, et interférera avec l'onde originale qui l'a créée.

Cette interférence n'est pas nécessairement parfaitement constructive ou destructive à moins que la longueur de la corde ne soit un multiple de la moitié de la longueur d'onde de l'onde.

[image des fréquences stationnaires fondamentales/harmoniques]

Cela crée un modèle d'ondes stationnaires: les ondes originales sortantes interfèrent avec les ondes réfléchies lorsqu'elles se déplacent dans des directions opposées. Les ondes allant dans des directions opposées interfèrent les unes avec les autres de telle sorte qu'elles n'ont plus l'air de bouger; au lieu de cela, il semble que des sections de la chaîne se déplacent simplement de haut en bas sur place. Cela se produit, par exemple, dans les cordes de guitare lorsqu'elles sont pincées.

Les points de la chaîne qui semblent fixes sont appelésnœuds. À mi-chemin entre chaque paire de nœuds se trouve un point sur la corde qui atteint l'amplitude maximale; ces points sont appelésventre​.

lela fréquence fondamentale, ou alorspremier harmonique, d'une corde se produit lorsque la longueur de la corde est la moitié de la longueur d'onde de l'onde. L'onde stationnaire ressemble alors à un pic d'onde unique vibrant de haut en bas; il a un ventre et un nœud à chaque extrémité de la chaîne.

L'onde stationnaire avec une longueur de corde égale à la longueur d'onde de l'onde est appelée la deuxième harmonique; il a deux ventres et trois nœuds, où deux nœuds sont aux extrémités et un nœud est au centre. Les harmoniques sont très importantes pour la façon dont les instruments de musique créent de la musique.

Les casques antibruit fonctionnent sur le principe de l'interférence destructive des ondes sonores. Un microphone sur le casque détecte tout bruit de faible niveau autour de vous, puis le casque émet des ondes sonores dans vos oreilles qui interfèrent de manière destructive avec le bruit ambiant. Cela annule complètement le bruit ambiant, vous permettant d'entendre votre musique et vos podcasts beaucoup plus clairement dans un environnement bruyant.

Les silencieux des voitures fonctionnent de la même manière, bien que de manière plus mécanique. La taille des chambres d'un silencieux est conçue avec précision de telle sorte qu'une fois que le bruit du moteur pénètre dans le silencieux, il interfère de manière destructive avec son propre bruit réfléchi, rendant la voiture plus silencieuse.

La lumière des micro-ondes émise par votre four à micro-ondes subit également des interférences. Il y a des endroits à l'intérieur de votre four à micro-ondes où les ondes lumineuses émises à l'intérieur du four interfèrent de manière constructive et destructive, réchauffant plus ou moins vos aliments. C'est pourquoi la plupart des fours à micro-ondes ont une plaque rotative à l'intérieur: pour éviter que vos aliments ne soient complètement congelés à certains endroits et bouillants à d'autres. (Pas une solution parfaite, mais c'est mieux que la nourriture reste immobile !)

L'interférence des ondes est une considération très importante lors de la conception des salles de concert et des auditoriums. Ces pièces peuvent avoir des « zones mortes », où le son de la scène, réfléchi par les surfaces de la pièce, interfère de manière destructive à un certain endroit du public. Cela peut être évité en plaçant soigneusement des matériaux absorbant et réfléchissant le son dans les murs et le plafond. Certaines salles de concert auront des haut-parleurs destinés à ces endroits pour permettre aux membres du public assis là d'entendre toujours correctement.

Tout comme les autres ondes, les ondes lumineuses peuvent interférer les unes avec les autres et peuvent se diffracter ou se plier autour d'une barrière ou d'une ouverture. Une onde diffracte davantage lorsque la taille de l'ouverture est plus proche de la longueur d'onde de l'onde. Cette diffraction provoque un motif d'interférence - des régions où les ondes s'additionnent et des régions où les ondes s'annulent.

Prenons l'exemple de la lumière passant par une seule fente horizontale. Si vous imaginez une ligne droite allant du centre de la fente au mur, l'endroit où cette ligne touche le mur devrait être un point lumineux d'interférence constructive.

Nous pouvons modéliser la lumière passant à travers la fente sous la forme d'une ligne de sources ponctuelles multiples qui rayonnent toutes vers l'extérieur. La lumière provenant de sources situées à gauche et à droite de la fente aura parcouru la même distance pour atteindre cet endroit particulier sur le mur, et sera donc en phase et interférera de manière constructive. Le prochain point à gauche et le prochain point à droite interfèrent également de manière constructive, et ainsi de suite, créant un maximum lumineux au centre.

Le premier endroit où des interférences destructrices se produiront peut être déterminé comme suit: Imaginez la lumière venant du point à l'extrémité gauche de la fente (point A) et un point venant du milieu (point B). Si la différence de chemin entre chacune de ces sources et le mur diffère de 1/2λ, 3/2λ et ainsi de suite, alors elles interféreront de manière destructive.

Si nous prenons le point suivant à gauche et le point suivant à droite du milieu, la différence de longueur de chemin entre ces deux points sources et les deux premiers seraient approximativement les mêmes, et donc ils seraient aussi destructeurs interférer.

Ce motif se répète pour toutes les paires de points restantes, ce qui signifie que si la lumière provenant du point A et du point B interfère à un endroit donné sur le mur, alors toute la lumière venant à travers la fente subit des interférences à cet endroit même endroit.

Un diagramme de diffraction légèrement différent peut également être obtenu en faisant passer la lumière à travers deux petites fentes séparées par la distance a dans une expérience à double fente. Ici, nous voyons des interférences constructives (points lumineux) sur le mur à chaque fois que la différence de longueur de trajet entre la lumière provenant des deux fentes est un multiple de la longueur d'onde .

Les scientifiques utilisent quotidiennement l'interférence des ondes pour faire des découvertes passionnantes, en utilisant des interféromètres. Un interféromètre est un instrument scientifique qui utilise l'interférence des ondes lumineuses pour effectuer des mesures et effectuer des expériences.

Un interféromètre de base prend un faisceau laser et le divise en deux faisceaux. Un faisceau fera des choses très différentes ou subira des choses différentes, selon la question à laquelle les scientifiques essaient de répondre. Les faisceaux seront alors recombinés, mais les différentes expériences qu'ils ont eues les auront modifiés. Les scientifiques peuvent examiner l'interférence des deux faisceaux laser désormais différents pour étudier des questions scientifiques, comme la nature des ondes gravitationnelles.

Le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) est un interféromètre géant qui envoie ses faisceaux laser divisés à 2,5 miles (4 km) de distance et de retour.

Les faisceaux divisés sont à angle droit, donc si une onde gravitationnelle traverse l'interféromètre, elle affectera chaque faisceau différemment. Cela signifie qu'ils interfèrent les uns avec les autres lorsqu'ils sont recombinés, et le modèle d'interférence indique aux physiciens ce qui a causé les ondes gravitationnelles. C'est ainsi que LIGO a détecté les ondes gravitationnelles des trous noirs qui s'écrasent ensemble, une découverte qui a remporté le prix Nobel en 2017.