Hullám interferencia: Konstruktív és romboló (példákkal)

Néha, amikor egy hullám áthalad egy közegen, találkozik egy másik hullámmal, szintén ugyanazon a közegen haladva. Mi történik, ha ezek a hullámok ütköznek? Kiderült, hogy a hullámok viszonylag intuitív, könnyen kiszámítható módon egyesülnek. Nem csak ez, de rengeteg hasznos alkalmazás is vanhullám interferenciamind a laborban, mind a mindennapi életben.

Annak megismeréséhez, hogy a hullámok kombinációja mit fog tenni a közeg egy adott pontjára egy adott időpontban, egyszerűen hozzá kell adnia, hogy mit csinálnának önállóan. Ezt hívjáka szuperpozíció elve​.

Például, ha a két hullámot ugyanazon a grafikonon ábrázolná, egyszerűen hozzáadná az egyes amplitúdókat az egyes pontokhoz az eredő hullám meghatározásához. Néha az eredő amplitúdónak nagyobb a kombinált nagysága ezen a ponton, és néha a hullámok hatásai részben vagy teljesen megsemmisítik egymást.

Képzelje el, ha az A hullám jobbra, a B hullám pedig balra haladna. Ha a tér egy bizonyos pontját nézzük, ahol az A hullám 2 egység felfelé tolódott el, míg a B hullám 1 egység lefelé történő elmozdulása esetén a kapott hullámnak 1 egység felfelé történő elmozdulása lenne: 2 - 1 = 1.

Ban benkonstruktív beavatkozás, a közeg elmozdulásának mindkét hullám esetében azonos irányúnak kell lennie. Kombinálva egyetlen hullámot hoznak létre, nagyobb amplitúdóval, mint bármelyik hullám külön-külön. A tökéletes konstruktív interferencia érdekében a hullámoknak fázisban kell lenniük - vagyis csúcsaik és völgyeik tökéletesen felsorakoznak -, és azonos periódusúak.

Mertromboló beavatkozás, a közeg elmozdulása az egyik hullámra ellentétes irányú, mint a másik hullámé. A kapott hullám amplitúdója kisebb lesz, mint a nagyobb amplitúdójú hullámé.

A tökéletes destruktív interferencia érdekében, ahol a hullámok törlik egymást, hogy nulla amplitúdót hozzanak létre, a hullámoknak meg kell lenniük pontosan fázison kívül - vagyis az egyik csúcsa tökéletesen egybeesik a másik völgyével -, és ugyanaz az időszakaésamplitúdó. (Ha az amplitúdók nem azonosak, a hullámok nem nullázódnak le pontosan.)

Vegye figyelembe, hogy a pusztító interferencia nem állítja le a hullámot; csak nullára hozza amplitúdóját az adott helyen. Interferencia történik, amikor a hullámok áthaladnak egymáson - ha a hullámok már nem lépnek kölcsönhatásba, visszatérnek eredeti amplitúdójukra.

A hullámok visszatükröződhetnek a felületekről és a rögzített pontokról, bárhol is halad a közeg, amelyen keresztül haladnak.

Ha egy húr rögzítve van az egyik oldalon, akkor a húr mentén haladó bármely hullám, amely eléri ezt a fix pontot, "fejjel lefelé", vagy az eredeti hullám fordított változataként tükröződik róla. Ha egy húr az egyik oldalon szabad, a húr mentén haladó bármely hullám, amely a végét eléri, a jobb oldalával felfelé tükröződik. Ha egy húr egy másik, különböző sűrűségű húrhoz van kötve, amikor egy hullám eltalálja azt a kapcsolatot, akkor annak egy része tükröződik (mintha a húr vége fix lenne), és egy része folytatódik.

Amikor a vízben vagy a levegőben hullám ér egy felületet, akkor ugyanazon a szögben fog visszaverődni a felszínről, ahová eltalálta. Ezt hívjuk beesési szögnek.

A visszaverődő hullámok gyakran zavarhatják önmagukat, ami különleges körülmények között létrehozhat egy speciális hullámot, amelyet állóhullámnak neveznek.

Képzeljünk el egy húrt, amelynek egyik vagy mindkét vége rögzített. Az ezen a húron haladó, rögzített véget érő hullám visszatükröződik erről a végről, ellentétes irányba haladva, és megzavarja az azt létrehozó eredeti hullámot.

Ez az interferencia nem feltétlenül tökéletesen konstruktív vagy romboló, hacsak a húr hossza nem haladja meg a hullám hullámhosszának felét.

[alapvető / harmonikus állófrekvenciák képe]

Ez állandó hullámmintát hoz létre: a kimenő eredeti hullámok ellentétes irányban haladva zavarják a visszaverődő hullámokat. Az ellentétes irányba haladó hullámok oly módon zavarják egymást, hogy már nem úgy néznek ki, mintha mozognának; ehelyett úgy tűnik, mintha a húr szakaszai egyszerűen fel-le mozognának a helyükön. Ez például gitárhúrokban fordul elő, amikor pengetik őket.

A karaktersorozat rögzítettnek tűnő pontjait hívjuk megcsomópontok. Az egyes csomópárok között félúton van a húr azon pontja, amely eléri a maximális amplitúdót; ezeket a pontokat nevezzükantinódák​.

Aalapvető frekvencia, vagyelső harmonikus, egy húr akkor fordul elő, amikor a húr hossza a hullám hullámhosszának a fele. Az álló hullám ekkor úgy néz ki, mint egyetlen hullámcsúcs, amely felfelé és lefelé vibrál; egy antinódja van, és egy csomópont a húr mindkét végén.

Az állóhullámot, amelynek húrhossza megegyezik a hullám hullámhosszával, második harmonikusnak nevezzük; két antinódája és három csomópontja van, ahol két csomópont van a végén, és egy csomópont van a közepén. A felharmonikusok nagyon fontosak abban, hogy a hangszerek hogyan hozzanak létre zenét.

A zajcsökkentő fejhallgató a hanghullámok destruktív interferenciájának elvén működik. A fejhallgató mikrofonja észlel minden alacsony zajszintet maga körül, majd a fejhallgató olyan hanghullámokat bocsát ki a fülébe, amelyek rombolóan zavarják a környezeti zajt. Ez teljesen megszünteti a környezeti zajt, így zajos környezetben sokkal tisztábban hallhatja zenéjét és podcastjait.

Az autó hangtompítói hasonlóan működnek, bár mechanikusabban. A hangtompító kamráinak mérete pontosan úgy van kialakítva, hogy amint a motorzaj belép a kipufogódobba, az destruktívan zavarja saját visszaverődő zaját, így az autó csendesebbé válik.

A mikrohullámú sütő által kibocsátott mikrohullámú fény szintén interferenciát tapasztal. A mikrohullámú sütő belsejében vannak olyan helyek, ahol a sütő belsejébe sugárzó fényhullámok konstruktívan és rombolóan zavarják, vagy inkább felmelegítik az ételt. Ezért van a legtöbb mikrohullámú sütőben forgótányér: annak érdekében, hogy egyes helyeken ne fagyjon le teljesen étele, másokban pedig ne forrjon fel. (Nem tökéletes megoldás, de jobb, mint az étel mozdulatlan maradni!)

A hulláminterferencia nagyon fontos szempont a koncerttermek és aulák kialakításakor. Ezeknek a helyiségeknek lehetnek "holt foltjai", ahol a színpadról érkező hang, a terem felszínéről visszaverődve, destruktív módon zavarja a közönség egy bizonyos helyét. Ez megakadályozható a hangelnyelő és hangvisszaverő anyagok gondos elhelyezésével a falakba és a mennyezetbe. Néhány koncertteremben ezekre a helyekre lesz hangszóró, hogy az ott ülő közönség tagjai továbbra is megfelelően hallhassanak.

Csakúgy, mint más hullámoknál, a fényhullámok is interferálhatnak egymással, és diffrakcionálódhatnak vagy elhajlhatnak egy akadály vagy nyílás körül. Ha a nyílás mérete közelebb van a hullám hullámhosszához, akkor egy hullám jobban diffrakcionál. Ez a diffrakció interferencia-mintázatot okoz - olyan régiók, ahol a hullámok összeadódnak, és olyan területek, ahol a hullámok egymást kioltják.

Vegyük például a fényt, amely egyetlen vízszintes résen megy keresztül. Ha elképzel egy egyenes vonalat a rés közepétől a falig, ahol ez a vonal a falat éri, akkor a konstruktív interferencia fényes pontjának kell lennie.

Modellezhetjük a résen áthaladó fényt több pontforrás vonalaként, amelyek mind kifelé sugároznak. A rés bal és jobb oldalán lévő forrásokból származó fény ugyanolyan távolságot tett meg, hogy eljuthasson a fal ezen pontjához, és így fázisban lesz, és konstruktív módon zavarja. A következő bal oldali pont és a következő pont a jobb oldalon szintén konstruktív módon beavatkozik, és így tovább, fényes maximumot hozva létre a közepén.

Az első folt, ahol a romboló interferencia bekövetkezik, a következőképpen határozható meg: Képzelje el a fényt a rés bal végén lévő ponttól (A pont) és egy közepétől érkező ponttól (B pont). Ha az egyes források és a fal közötti útkülönbség 1 / 2λ, 3 / 2λ és így tovább változik, akkor azok rombolóan beavatkoznak.

Ha a következő pontot a bal oldalon, a következő pontot pedig középen jobbra vesszük, akkor az út hossza eltér e két forráspont és az első kettő között megközelítőleg azonos lenne, és így rombolóan is beavatkozni.

Ez a minta megismétlődik az összes megmaradt pontpár esetében, ami azt jelenti, hogy ha az A és B pontról érkező fény beavatkozik a fal egy adott pontjába, akkor a résen át érkező összes fény interferenciát tapasztal ebben ugyanaz a folt.

Kicsit eltérő diffrakciós mintázat érhető el a fény áthaladásával két, a távolságtól elválasztott kis résen is egy kettős réses kísérletben. Itt bármikor konstruktív interferenciát (fényes foltokat) láthatunk a falon, amikor a két résből érkező fény közötti úthossz-különbség a λ hullámhossz többszöröse.

A tudósok minden nap hulláminterferenciát használnak izgalmas felfedezésekhez interferométerek segítségével. Az interferométer olyan tudományos eszköz, amely a fényhullámok interferenciáját használja mérések és kísérletek elvégzésére.

Az alapvető interferométer lézersugarat vesz fel, és két gerendára osztja. Egy sugár nagyon különböző dolgokat fog végrehajtani, vagy más dolgokat fog elvégezni, attól függően, hogy a tudósok milyen kérdésre próbálnak válaszolni. A gerendákat ezután újrakombinálják, de a különböző tapasztalataik megváltoztatták őket. A tudósok a két, már különböző lézersugár interferenciáját vizsgálhatják a tudományos kérdések - például a gravitációs hullámok jellege - vizsgálatához.

A Lézeres Interferométer Gravitációs Hullámú Obszervatórium (LIGO) egy óriási interferométer, amely osztott lézersugarait 4 mérföldre (4 km) távolságra és vissza küldi.

A hasított gerendák derékszögben vannak, tehát ha egy gravitációs hullám áthalad az interferométeren, akkor ez az egyes sugarakat másképp fogja befolyásolni. Ez azt jelenti, hogy rekombinációjuk során zavarni fogják egymást, és az interferencia-minta elmondja a fizikusoknak, hogy mi okozta a gravitációs hullámokat. Így észlelte a LIGO a fekete lyukakból összeomló gravitációs hullámokat, amely felfedezés 2017-ben elnyerte a Nobel-díjat.