Golfinterferentie: constructief en destructief (met voorbeelden)

Soms, als een golf door een medium reist, ontmoet hij een andere golf, die ook door hetzelfde medium reist. Wat gebeurt er als deze golven botsen? Het blijkt dat de golven zich op een relatief intuïtieve, gemakkelijk te berekenen manier combineren. Niet alleen dat, er zijn ook tal van handige toepassingen vangolfinterferentiezowel in het lab als in het dagelijks leven.

Om te weten wat de combinatie van golven op een bepaald punt in de tijd met een bepaald punt in het medium zal doen, voegt u eenvoudig toe wat ze onafhankelijk zouden doen. Dit heet deprincipe van superpositie​.

Als u bijvoorbeeld de twee golven in dezelfde grafiek zou plotten, zou u eenvoudig hun individuele amplitudes op elk punt optellen om de resulterende golf te bepalen. Soms zal de resulterende amplitude op dat punt een grotere gecombineerde grootte hebben, en soms zullen de effecten van de golven elkaar gedeeltelijk of volledig opheffen.

Stel je voor dat golf A naar rechts gaat en golf B naar links. Als we kijken naar een bepaald punt in de ruimte waar golf A een opwaartse verplaatsing van 2 eenheden had, terwijl golf B een neerwaartse verplaatsing van 1 eenheid, zou de resulterende golf een opwaartse verplaatsing van 1 eenheid hebben: 2 - 1 = 1.

Inconstructieve interferentie, moet de verplaatsing van het medium voor beide golven in dezelfde richting zijn. Ze combineren samen om een ​​​​enkele golf te maken met een grotere amplitude dan elke afzonderlijke golf. Voor perfecte constructieve interferentie moeten de golven in fase zijn - wat betekent dat hun pieken en dalen perfect op één lijn liggen - en dezelfde periode hebben.

Voordestructieve interferentie, is de verplaatsing van het medium voor de ene golf in de tegenovergestelde richting van die van de andere golf. De amplitude van de resulterende golf zal kleiner zijn dan die van de golf met de grotere amplitude.

Voor perfecte destructieve interferentie, waarbij de golven elkaar opheffen om een ​​amplitude nul te creëren, moeten de golven zijn: precies uit fase - wat betekent dat de piek van de ene perfect overeenkomt met de vallei van de andere - en dezelfde periode hebbenenamplitude. (Als de amplitudes niet hetzelfde zijn, zullen de golven niet opheffen tot precies nul.)

Merk op dat destructieve interferentie de golf niet stopt; het brengt gewoon zijn amplitude op die specifieke plaats naar nul. Interferentie is wat er gebeurt als golven door elkaar heen gaan - zodra de golven geen interactie meer hebben, gaan ze terug naar hun oorspronkelijke amplitude.

Golven kunnen weerkaatsen van oppervlakken en vaste punten, waar het medium waar ze doorheen reizen naar een ander medium verandert.

Als een snaar aan één kant is gefixeerd, zal elke golf die langs de snaar reist en dat vaste punt raakt, er "ondersteboven" of als een omgekeerde versie van de originele golf van weerkaatsen. Als een snaar aan één kant vrij is, zal elke golf die langs de snaar reist en het einde raakt, met de goede kant naar boven reflecteren. Als een snaar is vastgemaakt aan een andere snaar met een andere dichtheid, zal een deel ervan reflecteren als een golf die verbinding raakt (alsof het uiteinde van de snaar vast was) en een deel ervan zal doorgaan.

Wanneer een golf in water of lucht een oppervlak raakt, zal het in dezelfde hoek van dat oppervlak weerkaatsen. Dit wordt de invalshoek genoemd.

Gereflecteerde golven kunnen vaak met zichzelf interfereren, wat in speciale omstandigheden een speciaal soort golf kan creëren die bekend staat als een staande golf.

Stel je een string voor met een of beide uiteinden vast. Een golf die op deze snaar reist en een vast uiteinde raakt, reflecteert vanaf dat uiteinde, reist in de tegenovergestelde richting en interfereert met de oorspronkelijke golf die het heeft gecreëerd.

Deze interferentie is niet noodzakelijk perfect constructief of destructief, tenzij de lengte van de snaar een veelvoud is van de helft van de golflengte van de golf.

[afbeelding van fundamentele/harmonische staande frequenties]

Dit creëert een staand golfpatroon: uitgaande oorspronkelijke golven interfereren met gereflecteerde golven terwijl ze in tegengestelde richtingen bewegen. De golven die in tegengestelde richting gaan, interfereren met elkaar op zo'n manier dat het niet langer lijkt alsof ze bewegen; in plaats daarvan lijkt het alsof delen van de snaar eenvoudig op en neer bewegen op hun plaats. Dit komt bijvoorbeeld voor bij gitaarsnaren als ze worden getokkeld.

De punten op de string die vast lijken, worden. genoemdknooppunten. Halverwege tussen elk paar knooppunten bevindt zich een punt op de snaar dat de maximale amplitude bereikt; deze punten hetenantinodes​.

Degrondfrequentie, ofeerste harmonische, van een snaar treedt op wanneer de lengte van de snaar de helft is van de golflengte van de golf. De staande golf ziet er dan uit als een enkele golfpiek die op en neer trilt; het heeft één buik en één knoop aan elk uiteinde van de string.

De staande golf met een snaarlengte gelijk aan de golflengte van de golf wordt de tweede harmonische genoemd; het heeft twee knooppunten en drie knooppunten, waarbij twee knooppunten zich aan de uiteinden bevinden en één knooppunt in het midden. Harmonischen zijn erg belangrijk voor hoe muziekinstrumenten muziek maken.

Ruisonderdrukkende hoofdtelefoons werken volgens het principe van destructieve interferentie van geluidsgolven. Een microfoon op de koptelefoon detecteert elk laag niveau geluid om je heen, en vervolgens zendt de koptelefoon geluidsgolven uit in je oren die destructief interfereren met het omgevingsgeluid. Dit dempt het omgevingsgeluid volledig, waardoor je in een rumoerige omgeving je muziek en podcasts veel duidelijker hoort.

Geluiddempers op auto's werken op dezelfde manier, hoewel op een meer mechanische manier. De afmetingen van de kamers in een geluiddemper zijn zo ontworpen dat zodra het motorgeluid de geluiddemper binnenkomt, het zijn eigen gereflecteerde geluid destructief verstoort, waardoor de auto stiller wordt.

Magnetronlicht dat door uw magnetron wordt uitgezonden, ondervindt ook interferentie. Er zijn locaties in uw magnetron waar lichtgolven die in de oven worden uitgestraald constructief en destructief interfereren, waardoor uw voedsel meer of minder wordt opgewarmd. Dit is de reden waarom de meeste magnetronovens een draaiende plaat aan de binnenkant hebben: om te voorkomen dat uw voedsel op sommige plaatsen volledig bevroren en op andere kookt. (Geen perfecte oplossing, maar het is beter dan dat het eten stil blijft staan!)

Golfinterferentie is een zeer belangrijke overweging bij het ontwerpen van concertzalen en auditoria. Deze kamers kunnen "dode hoeken" hebben, waar het geluid van het podium, weerkaatst door de oppervlakken in de kamer, op een bepaalde plaats in het publiek destructief interfereert. Dit kan worden voorkomen door zorgvuldige plaatsing van geluidabsorberende en geluidreflecterende materialen in de wanden en het plafond. Sommige concertzalen zullen op deze plekken luidsprekers hebben, zodat het aanwezige publiek toch goed kan horen.

Net als bij andere golven kunnen lichtgolven met elkaar interfereren en rond een barrière of opening buigen of buigen. Een golf buigt meer af wanneer de opening dichter bij de golflengte van de golf ligt. Deze diffractie veroorzaakt een interferentiepatroon - gebieden waar de golven bij elkaar optellen en gebieden waar de golven elkaar opheffen.

Laten we het voorbeeld nemen van licht dat door een enkele horizontale spleet gaat. Als je je een rechte lijn voorstelt van het midden van de spleet naar de muur, waar die lijn de muur raakt, zou een lichtpuntje van constructieve interferentie moeten zijn.

We kunnen het licht dat door de spleet gaat modelleren als een lijn van meerdere puntbronnen die allemaal naar buiten uitstralen. Licht van bronnen links en rechts van de spleet zal dezelfde afstand hebben afgelegd om op deze specifieke plek op de muur te komen, en zal dus in fase zijn en constructief interfereren. Het volgende punt aan de linkerkant en het volgende punt aan de rechterkant zullen ook constructief interfereren, enzovoort, waardoor een helder maximum in het midden ontstaat.

De eerste plek waar destructieve interferentie zal optreden, kan als volgt worden bepaald: Stel je het licht voor vanuit het punt aan de linkerkant van de spleet (punt A) en een punt vanuit het midden (punt B). Als het padverschil van elk van die bronnen naar de muur 1/2λ, 3/2λ enzovoort verschilt, dan zullen ze destructief interfereren.

Als we het volgende punt links nemen en het volgende punt rechts van het midden, dan is het padlengteverschil tussen deze twee bronpunten en de eerste twee zouden ongeveer hetzelfde zijn, en dus zouden ze ook destructief zijn interfereren.

Dit patroon herhaalt zich voor alle resterende paren punten, wat betekent dat als licht afkomstig van punt A en punt B interfereert op een bepaalde plek op de muur, dan ondervindt al het licht dat door de spleet komt daar interferentie dezelfde plek.

Een iets ander diffractiepatroon kan ook worden verkregen door licht door twee kleine spleten te laten gaan die op afstand a van elkaar zijn gescheiden in een experiment met twee spleten. Hier zien we constructieve interferentie (lichtpuntjes) op de muur wanneer het padlengteverschil tussen het licht dat uit de twee spleten komt een veelvoud is van de golflengte λ.

Wetenschappers gebruiken elke dag golfinterferentie om spannende ontdekkingen te doen met behulp van interferometers. Een interferometer is een wetenschappelijk instrument dat de interferentie van lichtgolven gebruikt om metingen te doen en experimenten uit te voeren.

Een eenvoudige interferometer neemt een laserstraal en splitst deze in twee stralen. Eén straal zal heel verschillende dingen doen of er verschillende dingen mee doen, afhankelijk van de vraag die wetenschappers proberen te beantwoorden. De stralen zullen dan opnieuw worden gecombineerd, maar de verschillende ervaringen die ze hadden, zullen ze hebben veranderd. Wetenschappers kunnen kijken naar de interferentie van de twee nu verschillende laserstralen om wetenschappelijke vragen te onderzoeken, zoals de aard van zwaartekrachtsgolven.

De Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) is een gigantische interferometer die zijn gesplitste laserstralen 4 km heen en terug stuurt.

De gesplitste bundels staan ​​in een rechte hoek, dus als een zwaartekrachtgolf door de interferometer gaat, zal deze elke bundel anders beïnvloeden. Dit betekent dat ze met elkaar zullen interfereren wanneer ze opnieuw worden gecombineerd, en het interferentiepatroon vertelt natuurkundigen wat de zwaartekrachtsgolven veroorzaakte. Zo detecteerde LIGO zwaartekrachtsgolven van zwarte gaten die in elkaar stortten, een ontdekking die in 2017 de Nobelprijs won.