Interferenza delle onde: costruttiva e distruttiva (con esempi)

A volte, quando un'onda viaggia attraverso un mezzo, incontra un'altra onda, anch'essa viaggiando attraverso lo stesso mezzo. Cosa succede quando queste onde si scontrano? Si scopre che le onde si combinano in un modo relativamente intuitivo e facile da calcolare. Non solo, ma ci sono anche molte utili applicazioni diinterferenza delle ondesia in laboratorio che nella vita di tutti i giorni.

Per sapere cosa farà la combinazione di onde in un dato punto nel mezzo in un dato momento, aggiungi semplicemente cosa farebbero indipendentemente. Questo si chiamaprincipio di sovrapposizione​.

Ad esempio, se dovessi tracciare le due onde sullo stesso grafico, aggiungeresti semplicemente le loro singole ampiezze in ogni punto per determinare l'onda risultante. A volte l'ampiezza risultante avrà una magnitudine combinata maggiore in quel punto, e talvolta gli effetti delle onde si annulleranno parzialmente o completamente l'un l'altro.

Immagina se avessimo l'onda A che viaggia a destra e l'onda B che viaggia a sinistra. Se osserviamo un certo punto nello spazio dove l'onda A aveva uno spostamento verso l'alto di 2 unità, mentre l'onda B aveva uno spostamento verso il basso di 1 unità, l'onda risultante avrebbe uno spostamento verso l'alto di 1 unità: 2 - 1 = 1.

Nelinterferenza costruttiva, lo spostamento del mezzo deve essere nella stessa direzione per entrambe le onde. Si combinano insieme per formare un'unica onda con un'ampiezza maggiore di entrambe le onde singolarmente. Per una perfetta interferenza costruttiva, le onde devono essere in fase, ovvero i loro picchi e le loro valli si allineano perfettamente, e avere lo stesso periodo.

Perinterferenza distruttiva, lo spostamento del mezzo per un'onda è nella direzione opposta a quella dell'altra onda. L'ampiezza dell'onda risultante sarà inferiore a quella dell'onda con l'ampiezza maggiore.

Per una perfetta interferenza distruttiva, dove le onde si annullano a vicenda per creare ampiezza zero, le onde devono essere esattamente sfasato – nel senso che il picco di uno si allinea perfettamente con la valle dell'altro – e hanno lo stesso periodoeampiezza. (Se le ampiezze non sono le stesse, le onde non si annulleranno esattamente a zero.)

Nota che l'interferenza distruttiva non ferma l'onda; porta semplicemente a zero la sua ampiezza in quel particolare luogo. L'interferenza è ciò che accade quando le onde si incrociano: una volta che le onde non interagiscono più, tornano alle loro ampiezze originali.

Le onde possono riflettersi su superfici e punti fissi ovunque il mezzo attraverso il quale stanno viaggiando si trasformi in un mezzo diverso.

Se una corda è fissata su un lato, qualsiasi onda che viaggia lungo la corda che colpisce quel punto fisso si rifletterà su di essa "capovolta" o come una versione inversa dell'onda originale. Se una corda è libera su un lato, qualsiasi onda che viaggia lungo la corda che colpisce l'estremità si rifletterà su di essa con il lato destro rivolto verso l'alto. Se una corda è legata a un'altra corda di densità diversa, quando un'onda colpisce quella connessione parte di essa si rifletterà (come se l'estremità della corda fosse fissa) e parte di essa continuerà.

Quando un'onda nell'acqua o nell'aria colpisce una superficie, si rifletterà su quella superficie con lo stesso angolo con cui ha colpito. Questo è chiamato angolo di incidenza.

Le onde riflesse possono spesso interferire con se stesse che possono, in circostanze speciali, creare un tipo speciale di onda nota come onda stazionaria.

Immagina una stringa con una o entrambe le estremità fisse. Un'onda che viaggia su questa corda che colpisce un'estremità fissa si rifletterà su quell'estremità, viaggiando nella direzione opposta, e interferirà con l'onda originale che l'ha creata.

Questa interferenza non è necessariamente perfettamente costruttiva o distruttiva a meno che la lunghezza della corda non sia un multiplo della metà della lunghezza d'onda dell'onda.

[immagine delle frequenze stazionarie fondamentali/armoniche]

Questo crea un modello di onda stazionaria: onde originali in uscita che interferiscono con le onde riflesse mentre si muovono in direzioni opposte. Le onde che vanno in direzioni opposte interferiscono tra loro in modo tale da non sembrare più in movimento; invece, sembra che le sezioni della stringa si muovano semplicemente su e giù sul posto. Ciò si verifica, ad esempio, nelle corde della chitarra quando vengono pizzicate.

I punti sulla stringa che appaiono fissi sono chiamatinodi. A metà strada tra ogni coppia di nodi c'è un punto sulla corda che raggiunge la massima ampiezza; questi punti sono chiamatiantinodi​.

Ilfrequenza fondamentale, oprima armonica, di una corda si verifica quando la lunghezza della corda è la metà della lunghezza d'onda dell'onda. L'onda stazionaria appare quindi come un singolo picco d'onda che vibra su e giù; ha un antinodo e un nodo su ciascuna estremità della stringa.

L'onda stazionaria con lunghezza della corda pari alla lunghezza d'onda dell'onda è detta seconda armonica; ha due antinodi e tre nodi, dove due nodi sono alle estremità e un nodo è al centro. Le armoniche sono molto importanti per il modo in cui gli strumenti musicali creano la musica.

Le cuffie con cancellazione del rumore funzionano secondo il principio dell'interferenza distruttiva delle onde sonore. Un microfono sulle cuffie rileva qualsiasi rumore di basso livello intorno a te, quindi le cuffie emettono onde sonore nelle orecchie che interferiscono in modo distruttivo con il rumore ambientale. Ciò annulla completamente il rumore ambientale, consentendoti di ascoltare la tua musica e i tuoi podcast in modo molto più chiaro in un ambiente rumoroso.

I silenziatori delle auto funzionano in modo simile, anche se in modo più meccanico. Le dimensioni delle camere in una marmitta sono progettate con precisione in modo tale che una volta che il rumore del motore entra nella marmitta, interferisce in modo distruttivo con il suo stesso rumore riflesso, rendendo l'auto più silenziosa.

Anche la luce emessa dal forno a microonde subisce interferenze. Ci sono punti all'interno del microonde in cui le onde luminose emesse all'interno del forno interferiscono in modo costruttivo e distruttivo, riscaldando più o meno il cibo. Ecco perché la maggior parte dei forni a microonde ha al suo interno una piastra rotante: per evitare che il cibo si congeli completamente in alcuni punti e bolle in altri. (Non è una soluzione perfetta, ma è meglio che il cibo stia fermo!)

L'interferenza delle onde è una considerazione molto importante quando si progettano sale da concerto e auditorium. Queste stanze possono avere "punti morti", dove il suono del palco, riflesso dalle superfici della stanza, interferisce in modo distruttivo in un certo punto del pubblico. Ciò può essere prevenuto attraverso un accurato posizionamento di materiali fonoassorbenti e fonoriflettenti nelle pareti e nel soffitto. Alcune sale da concerto avranno altoparlanti rivolti a questi punti per consentire ai membri del pubblico seduti lì di ascoltare ancora correttamente.

Proprio come con altre onde, le onde luminose possono interferire l'una con l'altra e possono diffrangersi o piegarsi attorno a una barriera o a un'apertura. Un'onda diffrange maggiormente quando l'apertura è di dimensioni più vicine alla lunghezza d'onda dell'onda. Questa diffrazione provoca uno schema di interferenza: regioni in cui le onde si sommano e regioni in cui le onde si annullano a vicenda.

Prendiamo l'esempio della luce che passa attraverso una singola fenditura orizzontale. Se immagini una linea retta dal centro della fessura al muro, dove quella linea colpisce il muro dovrebbe essere un punto luminoso di interferenza costruttiva.

Possiamo modellare la luce che passa attraverso la fenditura come una linea di più sorgenti puntiformi che si irradiano tutte verso l'esterno. La luce proveniente da sorgenti a sinistra ea destra della fenditura avrà percorso la stessa distanza per raggiungere questo particolare punto sul muro, quindi sarà in fase e interferirà in modo costruttivo. Anche il punto successivo a sinistra e il punto successivo a destra interferiranno in modo costruttivo, e così via, creando un massimo luminoso al centro.

Il primo punto in cui si verificherà un'interferenza distruttiva può essere determinato come segue: Immagina la luce proveniente dal punto all'estremità sinistra della fessura (punto A) e un punto proveniente dal centro (punto B). Se la differenza di percorso da ciascuna di queste sorgenti al muro differisce di 1/2λ, 3/2λ e così via, allora interferiranno in modo distruttivo.

Se prendiamo il punto successivo a sinistra e il punto successivo a destra del centro, la differenza di lunghezza del percorso tra questi due punti sorgente e i primi due sarebbero approssimativamente gli stessi, e quindi anche in modo distruttivo interferire.

Questo schema si ripete per tutte le coppie di punti rimanenti, il che significa che se la luce proviene dal punto A e dal punto B interferisce in un determinato punto del muro, quindi tutta la luce che passa attraverso la fessura subisce un'interferenza in quel punto stesso punto.

Un modello di diffrazione leggermente diverso può essere ottenuto anche facendo passare la luce attraverso due piccole fenditure separate dalla distanza a in un esperimento a doppia fenditura. Qui vediamo un'interferenza costruttiva (punti luminosi) sulla parete ogni volta che la differenza di lunghezza del percorso tra la luce proveniente dalle due fenditure è un multiplo della lunghezza d'onda .

Gli scienziati usano ogni giorno l'interferenza delle onde per fare scoperte entusiasmanti, usando gli interferometri. Un interferometro è uno strumento scientifico che utilizza l'interferenza delle onde luminose per effettuare misurazioni ed eseguire esperimenti.

Un interferometro di base prende un raggio laser e lo divide in due raggi. Un raggio farà cose molto diverse o avrà cose diverse, a seconda della domanda a cui gli scienziati stanno cercando di rispondere. Le travi verranno poi ricombinate, ma le diverse esperienze che hanno avuto le avranno cambiate. Gli scienziati possono esaminare l'interferenza dei due raggi laser ora diversi per indagare su questioni scientifiche, come la natura delle onde gravitazionali.

Il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) è un interferometro gigante che invia i suoi raggi laser divisi a 2,5 miglia (4 km) di distanza e viceversa.

I fasci divisi sono ad angolo retto, quindi se un'onda gravitazionale passa attraverso l'interferometro, influenzerà ogni raggio in modo diverso. Ciò significa che interferiranno l'uno con l'altro quando vengono ricombinati e il modello di interferenza dice ai fisici cosa ha causato le onde gravitazionali. È così che LIGO ha rilevato le onde gravitazionali dei buchi neri che si schiantano insieme, una scoperta che ha vinto il Premio Nobel nel 2017.