Interferencija valova: konstruktivna i destruktivna (s primjerima)

Ponekad dok val putuje kroz medij, nailazi na drugi val, koji također putuje kroz isti medij. Što se događa kad se ti valovi sudare? Ispada da se valovi kombiniraju na relativno intuitivan, jednostavan za izračunavanje način. I ne samo to, već i puno korisnih aplikacija zainterferencija valovakako u laboratoriju, tako i u svakodnevnom životu.

Da biste znali što će kombinacija valova učiniti u određenoj točki medija u određenom trenutku, jednostavno dodajte što bi oni radili neovisno. To se nazivaprincip superpozicije​.

Na primjer, ako biste dva vala nacrtali na isti graf, jednostavno biste dodali njihove pojedinačne amplitude u svakoj točki kako biste odredili rezultirajući val. Ponekad će rezultantna amplituda u toj točki imati veću kombiniranu veličinu, a ponekad će se učinci valova djelomično ili u potpunosti poništiti.

Zamislite da imamo val A koji putuje udesno i val B koji putuje ulijevo. Ako pogledamo određenu točku u prostoru gdje je val A imao pomak prema gore za 2 jedinice, dok je val B imao pomak prema dolje za 1 jedinicu, rezultirajući val imao bi pomak prema gore za 1 jedinicu: 2 - 1 = 1.

Ukonstruktivne smetnje, pomicanje medija mora biti u istom smjeru za oba vala. Kombiniraju se zajedno kako bi stvorili jedan val veće amplitude od bilo kojeg vala pojedinačno. Za savršenu konstruktivnu interferenciju valovi moraju biti u fazi - što znači da se njihovi vrhovi i doline savršeno poravnaju - i imati isto razdoblje.

Zadestruktivne smetnje, pomicanje medija za jedan val je u suprotnom smjeru od smjera drugog vala. Amplituda rezultirajućeg vala bit će manja od amplitude vala s većom amplitudom.

Za savršene destruktivne smetnje, gdje se valovi međusobno isključuju kako bi stvorili nultu amplitudu, valovi moraju biti točno izvan faze - što znači da se vrh jedne linije savršeno poravnava s dolinom druge - i imaju isto razdobljeiamplituda. (Ako amplitude nisu iste, valovi se neće isključiti na točno nulu.)

Imajte na umu da destruktivne smetnje ne zaustavljaju val; samo dovodi svoju amplitudu na tom određenom mjestu na nulu. Interferencija je ono što se događa kad valovi prolaze jedan kroz drugi - kad valovi više ne međusobno djeluju, vraćaju se na svoje izvorne amplitude.

Valovi se mogu odbiti od površina i fiksnih točaka gdje god se medij kroz koji se promijeni promijeni u drugi medij.

Ako je žica fiksirana na jednoj strani, svaki val koji putuje duž žice koji pogodi tu fiksnu točku odrazit će se od nje "naopako" ili kao obrnuta verzija izvornog vala. Ako je žica slobodna s jedne strane, svaki val koji putuje duž žice koja udari o kraj odbija se od nje s desne strane prema gore. Ako je niz vezan za drugi niz različite gustoće, kad val pogodi taj dio veze odrazit će se (kao da je kraj žice fiksiran), a dio će se nastaviti.

Kad val u vodi ili zraku udari u površinu, on će se odbiti od te površine pod istim kutom u kojem je udario. To se naziva upadni kut.

Reflektirani valovi često se mogu ometati, što u posebnim okolnostima može stvoriti posebnu vrstu vala poznatog kao stojeći val.

Zamislite žicu s fiksiranim jednim ili oba kraja. Val koji putuje na ovom nizu koji udari u fiksni kraj odbit će se od tog kraja, putujući u suprotnom smjeru, i ometati izvorni val koji ga je stvorio.

Ova interferencija nije nužno savršeno konstruktivna ili destruktivna, osim ako je duljina niza višestruka od polovice valne duljine vala.

[slika temeljnih / harmonskih stojnih frekvencija]

To stvara obrazac stojećih valova: odlazni izvorni valovi ometaju reflektirane valove dok se kreću u suprotnim smjerovima. Valovi koji idu u suprotnim smjerovima međusobno se ometaju na takav način da više ne izgledaju kao da se kreću; umjesto toga, čini se kao da se dijelovi niza jednostavno pomiču gore-dolje u mjestu. To se, na primjer, događa u žicama za gitaru kad se čupaju.

Pozivaju se točke na nizu koje se čine fiksnimačvorovi. Sredina između svakog para čvorova je točka na nizu koja doseže maksimalnu amplitudu; te se točke nazivajuantinodi​.

Thetemeljna frekvencija, iliprvi harmonik, žice događa se kada je duljina žice polovica valne duljine vala. Stajaći val tada izgleda poput vrha jednog vala koji vibrira gore-dolje; ima po jedan antinod i po jedan čvor na svakom kraju niza.

Stojeći val s duljinom žice jednakom valnoj duljini vala naziva se drugim harmonikom; ima dva antinoda i tri čvora, pri čemu su dva čvora na krajevima, a jedan u središtu. Harmonika je vrlo važna za način na koji glazbeni instrumenti stvaraju glazbu.

Slušalice protiv buke rade na principu destruktivnih smetnji zvučnih valova. Mikrofon na slušalicama detektira bilo kakvu buku niske razine oko vas, a zatim slušalice u vaše uši emitiraju zvučne valove koji destruktivno ometaju okolnu buku. Ovo u potpunosti poništava ambijentalnu buku, omogućujući vam da puno jasnije čujete svoju glazbu i podcastove u bučnom okruženju.

Prigušivači na automobilima rade slično, iako na mehaničkiji način. Veličina komora u prigušivaču precizno je dizajnirana tako da jednom kad buka motora uđe u prigušivač, destruktivno ometa vlastitu odbijenu buku, čineći automobil tišim.

Svjetlost mikrovalne pećnice koju emitira mikrovalna pećnica također doživljava smetnje. Postoje mjesta unutar vaše mikrovalne pećnice gdje svjetlosni valovi koji se emitiraju u unutrašnjost pećnice konstruktivno i destruktivno ometaju, bilo da više ili manje zagrijavaju vašu hranu. Zbog toga većina mikrovalnih pećnica ima rotirajuću ploču iznutra: kako bi se hrana na nekim mjestima potpuno zamrznula, a na drugima zakuhala. (Nije savršeno rješenje, ali bolje je nego što hrana ostaje mirna!)

Uplitanje valova vrlo je važno pri projektiranju koncertnih dvorana i gledališta. Te sobe mogu imati "mrtve točke", gdje se zvuk s pozornice, koji se odbija od površina u sobi, destruktivno ometa na određenom mjestu u publici. To se može spriječiti pažljivim postavljanjem materijala koji apsorbiraju zvuk i reflektiraju zvuk u zidove i strop. Neke koncertne dvorane imat će zvučnike usmjerene na ta mjesta kako bi omogućili članovima publike da sjede da i dalje pravilno čuju.

Baš kao i kod ostalih valova, svjetlosni valovi mogu se međusobno ometati i mogu difraktirati ili se saviti oko pregrade ili otvora. Val se više difraktira kada je otvor bliže valnoj duljini vala. Ova difrakcija uzrokuje interferencijski obrazac - područja u kojima se valovi zbrajaju i područja u kojima se valovi međusobno poništavaju.

Uzmimo za primjer svjetlost koja prolazi kroz jedan vodoravni prorez. Ako zamislite ravnu crtu od središta proreza do zida, tamo gdje ta linija udara o zid, trebala bi biti svijetla točka konstruktivnih smetnji.

Svjetlost koja prolazi kroz prorez možemo modelirati kao liniju više točkastih izvora koji svi zrače prema van. Svjetlost izvorišta s lijeve i desne strane proreza prešla je jednaku udaljenost da bi došla do ovog određenog mjesta na zidu, pa će biti u fazi i konstruktivno ometati. Sljedeća točka s lijeve strane i sljedeća točka s desne strane također će se konstruktivno ometati, i tako dalje, stvarajući sjajni maksimum u središtu.

Prvo mjesto na kojem će se dogoditi destruktivne smetnje može se odrediti na sljedeći način: Zamislite svjetlost koja dolazi od točke na lijevom kraju proreza (točka A) i točke koja dolazi od sredine (točka B). Ako se razlika puta od svakog od tih izvora do zida razlikuje za 1 / 2λ, 3 / 2λ i tako dalje, tada će oni destruktivno ometati.

Ako uzmemo sljedeću točku lijevo i sljedeću točku desno od sredine, razlika duljine puta između ove dvije izvorne točke i prve dvije bile bi približno iste, a tako bi bile i destruktivne umiješati se.

Ovaj se obrazac ponavlja za sve preostale parove točaka, što znači da ako svjetlost dolazi iz točke A i točke B interferira na određenom mjestu na zidu, tada sva svjetlost koja dolazi kroz prorez doživljava smetnje u tome isto mjesto.

Nešto drugačiji difrakcijski uzorak također se može dobiti propuštanjem svjetlosti kroz dva mala proreza odvojena udaljenostom u eksperimentu s dvostrukim prorezima. Ovdje vidimo konstruktivne smetnje (svijetle mrlje) na zidu kad god je razlika duljine puta između svjetlosti koja dolazi iz dva proreza višestruka valnoj duljini λ.

Znanstvenici koriste interferenciju valova svaki dan za uzbudljiva otkrića, koristeći interferometre. Interferometar je znanstveni instrument koji koristi interferenciju svjetlosnih valova za mjerenje i izvođenje pokusa.

Osnovni interferometar uzima lasersku zraku i dijeli je na dvije zrake. Jedna zraka učinit će vrlo različite stvari ili će učiniti različite stvari, ovisno o pitanju na koje znanstvenici pokušavaju odgovoriti. Zatim će se grede ponovno kombinirati, ali različita iskustva koja su imali, promijenila su ih. Znanstvenici mogu pogledati smetnje dviju sada različitih laserskih zraka kako bi istražili znanstvena pitanja, poput prirode gravitacijskih valova.

Laser Interferometer Gravitational-Val Observatory (LIGO) divovski je interferometar koji šalje svoje podijeljene laserske zrake udaljene 4 km (4 km) i natrag.

Razdvojene zrake su pod pravim kutom, pa ako gravitacijski val prođe kroz interferometar, to će utjecati na svaku snop različito. To znači da će se međusobno ometati kad se rekombiniraju, a obrazac smetnji govori fizičarima o tome što je uzrokovalo gravitacijske valove. Tako je LIGO otkrio gravitacijske valove crnih rupa koje su se zajedno srušile, otkriće koje je osvojilo Nobelovu nagradu 2017. godine.