הפרעות גל: בונה והרסני (עם דוגמאות)

לפעמים כשגל נע דרך מדיום, הוא נתקל בגל אחר, גם הוא נוסע דרך אותו המדיום. מה קורה כשגלים אלה מתנגשים? מתברר שהגלים משתלבים בצורה אינטואיטיבית יחסית, קלה לחישוב. לא רק זה, אבל יש גם הרבה יישומים שימושיים שלהפרעה לגליםגם במעבדה וגם בחיי היום יום.

כדי לדעת מה שילוב הגלים יעשה לנקודה מסוימת במדיום בנקודת זמן נתונה, אתה פשוט מוסיף את מה שהם היו עושים באופן עצמאי. זה נקראעקרון סופרפוזיציה​.

לדוגמא, אם היית מתווה את שני הגלים באותו גרף, היית פשוט מוסיף את המשרעת האישית שלהם בכל נקודה כדי לקבוע את הגל שהתקבל. לעיתים למשרעת המתקבלת תהיה גודל משולב גדול יותר באותה נקודה, ולעיתים השפעות הגלים יבטלו זה את זה באופן חלקי או מוחלט.

תאר לעצמך אם היה לנו גל A נוסע ימינה וגל B נוסע שמאלה. אם נסתכל על נקודה מסוימת בחלל בה גל A היה תזוזה כלפי מעלה של 2 יחידות, ואילו גל B היה תזוזה כלפי מטה של ​​יחידה אחת, לגל שהתקבל תהיה תזוזה כלפי מעלה של יחידה אחת: 2 - 1 = 1.

בהפרעה בונהתזוזת המדיום חייבת להיות באותו כיוון עבור שני הגלים. הם משתלבים יחד כדי ליצור גל בודד עם משרעת גדולה יותר משני הגל בנפרד. לצורך הפרעה קונסטרוקטיבית מושלמת, הגלים חייבים להיות בשלב - כלומר הפסגות והעמקים שלהם מסתדרים בצורה מושלמת - ולהיות באותה תקופה.

להפרעה הרסניתהעקירה של המדיום לגל אחד היא בכיוון ההפוך לזה של הגל השני. המשרעת של הגל שהתקבל תהיה פחותה מזו של הגל עם המשרעת הגדולה יותר.

להתערבות הרסנית מושלמת, כאשר הגלים מבטלים זה את זה כדי ליצור משרעת אפס, הגלים חייבים להיות בדיוק מחוץ לשלב - כלומר השיא של אחד מסתדר בצורה מושלמת עם העמק של השני - ויש להם אותה תקופהואמפליטודה. (אם המשרעות אינן זהות, הגלים לא יתבטלו לאפס בדיוק).

שים לב שהפרעות הרסניות לא עוצרות את הגל; זה פשוט מביא את האמפליטודה שלו במקום המסוים לאפס. הפרעה היא מה שקורה כאשר גלים עוברים אחד את השני - ברגע שהגלים כבר לא מתקשרים, הם חוזרים למשרעתם המקורית.

גלים יכולים להשתקף ממשטחים ונקודות קבועות בכל מקום בו המדיום בו הם עוברים משתנה למדיום אחר.

אם מיתר קבוע בצד אחד, כל גל שעובר לאורך המיתר שפוגע בנקודה קבועה זו ישקף ממנו "הפוך", או כגרסה הפוכה של הגל המקורי. אם מחרוזת חופשית בצד אחד, כל גל שעובר לאורך המיתר שפוגע בקצה ישקף ממנו בצד ימין למעלה. אם מחרוזת קשורה למיתר אחר בעל צפיפות שונה, כאשר גל פוגע באותו חיבור חלק ממנו ישקף (כאילו קצה המיתר היה קבוע) וחלק ממנו ימשיך.

כאשר גל במים או באוויר פוגע במשטח, הוא ישקף מעל פני השטח באותה זווית שפגע. זה נקרא זווית האירוע.

גלים משתקפים יכולים לעתים קרובות להפריע לעצמם אשר יכולים, בנסיבות מיוחדות, ליצור סוג מיוחד של גל המכונה גל עומד.

תאר לעצמך מחרוזת שקצה אחד או שניהם קבוע. גל הנוסע על מיתר זה הפוגע בקצה קבוע ישקף מהקצה ההוא, נע בכיוון ההפוך, ומפריע לגל המקורי שיצר אותו.

הפרעה זו אינה בהכרח קונסטרוקטיבית או הרסנית לחלוטין, אלא אם כן אורך המיתר הוא מכפיל של אורך הגל של הגל.

[תמונה של תדרי עמידה בסיסיים / הרמוניים]

זה יוצר דפוס גל עומד: גלים מקוריים יוצאים המפריעים לגלים המשתקפים כשהם נעים בכיוונים מנוגדים. הגלים שעוברים לכיוונים מנוגדים מפריעים זה לזה בצורה כזו שהם כבר לא נראים כאילו הם זזים; במקום זאת, נראה כאילו קטעי המחרוזת פשוט נעים למעלה ולמטה במקומם. זה קורה, למשל, במיתרי גיטרה כאשר הם נקטפים.

הנקודות במחרוזת שנראות קבועות נקראותצמתים. באמצע הדרך בין כל זוג צמתים נמצאת נקודה על המיתר שמגיעה למשרעת מקסימאלית; הנקודות האלה נקראותנוגדנים​.

התדר בסיסי, אוהרמונית ראשונה, של מחרוזת מתרחשת כאשר אורך המיתר הוא חצי מאורך הגל של הגל. הגל העומד נראה אז כפסגת גל אחת הרוטטת מעלה ומטה; יש לו אנטי-צומת אחד, וצומת אחד בכל קצה המחרוזת.

הגל העומד באורך המיתרים השווה לאורכו של הגל נקרא ההרמוניה השנייה; יש לו שני אנטי-צמתים ושלושה צמתים, כאשר שני צמתים נמצאים בקצוות וצומת אחד נמצא במרכז. הרמוניות חשובות מאוד לאופן שבו כלי נגינה יוצר מוסיקה.

אוזניות המפסקות רעש עובדות על עיקרון ההפרעה ההרסנית של גלי הקול. מיקרופון באוזניות מגלה כל רעש ברמה נמוכה סביבך, ואז האוזניות פולטות גלי קול לאוזניך המפריעות באופן הרסני לרעש הסביבתי. זה מבטל את רעשי הסביבה לחלוטין, ומאפשר לך לשמוע את המוזיקה והפודקאסטים שלך בצורה הרבה יותר ברורה בסביבה רועשת.

משתיקי קול של מכוניות עובדים באופן דומה, אם כי בצורה מכנית יותר. גודל החדרים במוצב משתיק קול מתוכנן במדויק כך שברגע שרעש המנוע נכנס למוצק, הוא מפריע באופן הרסני לרעש המשתקף שלו, מה שהופך את המכונית לשקטה יותר.

גם אור מיקרוגל הנפלט על ידי תנור המיקרוגל שלך חווה הפרעה. ישנם מיקומים בתוך המיקרוגל שלך בהם גלי אור שנפלטים אל פנים התנור מפריעים באופן קונסטרוקטיבי והרסני, או מחממים את האוכל שלך פחות או יותר. זו הסיבה שרוב תנורי המיקרוגל כוללים צלחת מסתובבת: כדי למנוע מהאוכל שלך להיות קפוא לחלוטין במקומות מסוימים ולהרתח באחרים. (לא פיתרון מושלם, אבל עדיף שהאוכל יישאר דומם!)

הפרעה לגלים היא שיקול חשוב מאוד בעת תכנון אולמות קונצרטים ואולמות. בחדרים אלה יכולים להיות "כתמים מתים", שבהם הצליל מהבמה, המשתקף מהמשטחים בחדר, מפריע באופן הרסני למקום מסוים בקהל. ניתן למנוע זאת באמצעות מיקום זהיר של חומרים בולמי רעש ומשקפי רעש בקירות ובתקרה. בחלק מאולמות הקונצרטים יהיו רמקולים המכוונים למקומות אלה כדי לאפשר לחברי הקהל שיושבים שם עדיין לשמוע כראוי.

בדיוק כמו עם גלים אחרים, גלי אור יכולים להפריע אחד לשני ויכולים להפריע, או להתכופף, סביב מחסום או פתח. גל מפסיק יותר כאשר הפתח קרוב יותר לגודל הגל. עקיפה זו גורמת לדפוס הפרעה - אזורים בהם הגלים מתווספים ואזורים בהם הגלים מבטלים זה את זה.

בואו ניקח את הדוגמה של אור שעובר דרך חריץ אופקי יחיד. אם אתה מדמיין קו ישר ממרכז החריץ לקיר, שם קו זה פוגע בקיר אמור להוות נקודת אור של הפרעה בונה.

אנו יכולים לדגם את האור העובר דרך החריץ כקו של מספר מקורות נקודתיים שכולם מקרינים כלפי חוץ. אור ממקורות בצד שמאל וימין של החריץ יעבור באותו מרחק כדי להגיע למקום הספציפי הזה על הקיר, וכך יהיה שלב ומפריע באופן קונסטרוקטיבי. הנקודה הבאה מצד שמאל והנקודה הבאה מצד ימין גם כן יפריעו באופן קונסטרוקטיבי, וכן הלאה, ותיצור מקסימום בהיר במרכז.

הנקודה הראשונה בה תתרחש הפרעה הרסנית יכולה להיקבע באופן הבא: דמיין את האור מגיע מהנקודה בקצה השמאלי של החריץ (נקודה A) ונקודה שמגיעה מהאמצע (נקודה B). אם הפרש הנתיב מכל אחד מאותם מקורות לקיר שונה ב -1 / 2λ, 3 / 2λ וכן הלאה, אז הם יפריעו בצורה הרסנית.

אם ניקח את הנקודה הבאה מצד שמאל ואת הנקודה הבאה מימין לאמצע, הפרש אורך השביל בין שתי נקודות המקור הללו והשניים הראשונים יהיו זהים בערך, וכך הם גם היו הרסניים לְהַפְרִיעַ.

דפוס זה חוזר על כל זוגות הנקודות הנותרים, כלומר אם האור מגיע מנקודה A ונקודה B מפריע במקום נתון על הקיר, ואז כל האור שמגיע דרך החריץ חווה הפרעה לכך אותה נקודה.

ניתן להשיג דפוס עקיפה שונה במקצת על ידי העברת אור דרך שני חריצים קטנים המופרדים על ידי מרחק a בניסוי חריץ כפול. כאן אנו רואים הפרעה קונסטרוקטיבית (כתמים בהירים) על הקיר בכל עת שהפרש אורך השביל בין האור המגיע משני החריצים הוא מכפל מאורך הגל λ.

מדענים משתמשים בהפרעות גלים מדי יום כדי לגלות תגליות מרגשות באמצעות אינטרפרומטרים. אינטרפרומטר הוא מכשיר מדעי המשתמש בהפרעה של גלי האור כדי לבצע מדידות ולבצע ניסויים.

אינטרפרומטר בסיסי לוקח קרן לייזר ומחלק אותה לשתי קרנות. קרן אחת תעשה דברים שונים מאוד או שתעשה לה דברים שונים, תלוי בשאלה המדענים מנסים לענות. הקורות ישולבו מחדש, אך החוויות השונות שהיו להם שינו אותן. מדענים יכולים להסתכל על ההפרעה של שתי קרני הלייזר השונות כיום כדי לחקור שאלות מדעיות, כמו אופי גלי הכבידה.

מצפה הכבידה של גל הכבידה (LIGO) הוא אינטרפרומטר ענק השולח את קרני הלייזר המפוצלות שלו במרחק של 4 ק"מ (4 ק"מ) וחזרה.

הקורות המפוצלות נמצאות בזווית ישרה, כך שאם גל כובד יעבור דרך האינטרפרומטר, הוא ישפיע על כל קרן אחרת. משמעות הדבר היא שהם יפריעו זה לזה כאשר הם משולבים מחדש, ודפוס ההפרעה מספר לפיזיקאים על מה גרם לגל הכבידה. כך זיהה LIGO גלי כבידה מחורים שחורים שמתרסקים יחד, תגלית שזכתה בפרס נובל בשנת 2017.