Bølgeforstyrrelse: Konstruktiv og destruktiv (med eksempler)

Noen ganger når en bølge beveger seg gjennom et medium, møter den en annen bølge, også gjennom det samme mediet. Hva skjer når disse bølgene kolliderer? Det viser seg at bølgene kombineres på en relativt intuitiv måte å beregne. Ikke bare det, men det er også mange nyttige applikasjoner avbølgeforstyrrelserbåde i laboratoriet og i hverdagen.

For å vite hva kombinasjonen av bølger vil gjøre til et gitt punkt i mediet på et gitt tidspunkt, legger du bare til det de ville gjøre uavhengig. Dette kallesprinsippet om superposisjon​.

Hvis du for eksempel skulle plotte de to bølgene på samme graf, ville du ganske enkelt legge til deres individuelle amplituder på hvert punkt for å bestemme den resulterende bølgen. Noen ganger vil den resulterende amplituden ha en større kombinert styrke på det tidspunktet, og noen ganger vil effekten av bølgene delvis eller helt avbryte hverandre.

Tenk om vi hadde bølge A som reiser til høyre og bølge B som reiser til venstre. Hvis vi ser på et bestemt punkt i rommet der bølge A hadde en forskyvning oppover på 2 enheter, mens bølge B hadde en forskyvning nedover på 1 enhet, vil den resulterende bølgen ha en oppadgående forskyvning på 1 enhet: 2 - 1 = 1.

Ikonstruktiv forstyrrelse, må forskyvningen av mediet være i samme retning for begge bølgene. De kombineres sammen for å lage en enkelt bølge med større amplitude enn hver bølge hver for seg. For perfekt konstruktiv forstyrrelse må bølgene være i fase - noe som betyr at toppene og dalene deres passer perfekt - og har samme periode.

Tildestruktiv forstyrrelse, er forskyvningen av mediet for en bølge i motsatt retning av den for den andre bølgen. Amplituden til den resulterende bølgen vil være mindre enn bølgen med den større amplituden.

For perfekt destruktiv forstyrrelse, der bølgene avbryter hverandre for å skape null amplitude, må bølgene være nøyaktig ute av fase - som betyr at toppen av den ene stemmer perfekt med den andre dalen - og har samme periodeogamplitude. (Hvis amplitudene ikke er de samme, vil ikke bølgene avbrytes til nøyaktig null.)

Merk at destruktiv forstyrrelse ikke stopper bølgen; det bringer bare amplituden på det aktuelle stedet til null. Forstyrrelse er det som skjer når bølger passerer gjennom hverandre - når bølgene ikke lenger samhandler, går de tilbake til sine opprinnelige amplituder.

Bølger kan reflektere av overflater og faste punkter uansett hvor mediet de reiser gjennom endres til et annet medium.

Hvis en streng er festet på den ene siden, vil enhver bølge som beveger seg langs strengen som treffer det faste punktet, reflektere av den "opp ned", eller som en omvendt versjon av den opprinnelige bølgen. Hvis en streng er ledig på den ene siden, vil enhver bølge som beveger seg langs strengen som treffer enden, reflektere av den med høyre side opp. Hvis en streng er bundet til en annen streng med en annen tetthet, vil en tilkoblingsdel av den reflektere når en bølge treffer (som om enden av strengen var løst) og en del av den vil fortsette.

Når en bølge i vann eller luft treffer en overflate, vil den reflektere av overflaten i samme vinkel den slo. Dette kalles hendelsesvinkelen.

Reflekterte bølger kan ofte forstyrre seg selv som under spesielle omstendigheter kan skape en spesiell slags bølge kjent som en stående bølge.

Se for deg en streng med den ene eller begge ender faste. En bølge som beveger seg på denne strengen som treffer en fast ende, vil reflektere av den enden, og reise i motsatt retning og forstyrre den opprinnelige bølgen som skapte den.

Denne forstyrrelsen er ikke nødvendigvis perfekt konstruktiv eller destruktiv med mindre strengens lengde er et multiplum av halvparten av bølgens bølgelengde.

[bilde av grunnleggende / harmoniske stående frekvenser]

Dette skaper et stående bølgemønster: utgående originale bølger som forstyrrer reflekterte bølger når de beveger seg i motsatt retning. Bølgene som går i motsatt retning forstyrrer hverandre på en slik måte at de ikke lenger ser ut som de beveger seg; i stedet ser det ut som om deler av strengen bare beveger seg opp og ned på plass. Dette skjer for eksempel i gitarstrenger når de blir plukket.

Punktene på strengen som vises faste heternoder. Midtveis mellom hvert noderpar er et punkt på strengen som når maksimal amplitude; disse punktene kallesantinoder​.

Degrunnleggende frekvens, ellerførste harmoniske, av en streng oppstår når lengden på strengen er halvparten av bølgelengden til bølgen. Den stående bølgen ser da ut som en enkelt bølgetopp som vibrerer opp og ned; den har en antinode og en node i hver ende av strengen.

Den stående bølgen med strenglengde lik bølgelengden til bølgen kalles den andre harmoniske; den har to antinoder og tre noder, der to noder er i endene og en node er i sentrum. Harmonikk er veldig viktig for hvordan musikkinstrumenter skaper musikk.

Støyreduserende hodetelefoner fungerer på prinsippet om destruktiv interferens av lydbølger. En mikrofon på hodetelefonene oppdager lavt støynivå rundt deg, og deretter sender hodetelefonene ut lydbølger i ørene dine som ødelegger omgivelsesstøyen. Dette avbryter omgivelsesstøyen helt, slik at du kan høre musikken din og podcaster mye tydeligere i støyende omgivelser.

Lyddempere på biler fungerer på samme måte, men på en mer mekanisk måte. Størrelsen på kamrene i en lyddemper er nøyaktig utformet slik at når motorstøyen kommer inn i lyddemperen, forstyrrer den destruktivt sin egen reflekterte støy, noe som gjør bilen roligere.

Mikrobølgeovn som sendes ut av mikrobølgeovnen, opplever også forstyrrelser. Det er steder inne i mikrobølgeovnen der lysbølger som slippes ut i det indre av ovnen forstyrrer konstruktivt og destruktivt, enten varmer opp maten mer eller mindre. Dette er grunnen til at de fleste mikrobølgeovner har en roterende plate inne: for å forhindre at maten blir helt frossen noen steder og koker i andre. (Ikke en perfekt løsning, men det er bedre enn at maten holder seg stille!)

Bølgeforstyrrelser er en veldig viktig faktor når du designer konserthaller og auditorier. Disse rommene kan ha "døde flekker", der lyden fra scenen reflekteres av overflatene i rommet, forstyrrer destruktivt på et bestemt sted i publikum. Dette kan forhindres gjennom nøye plassering av lydabsorberende og lydreflekterende materialer i vegger og tak. Noen konserthaller vil ha høyttalere rettet mot disse stedene for å gjøre det mulig for publikum som sitter der fortsatt å høre ordentlig.

Akkurat som med andre bølger, kan lysbølger forstyrre hverandre og kan bøye seg, eller bøye seg rundt en barriere eller åpning. En bølge diffrerer mer når åpningen er nærmere bølgelengden. Denne diffraksjonen forårsaker et interferensmønster - regioner der bølgene legger sammen og regioner der bølgene avbryter hverandre.

La oss ta eksemplet med lys som går gjennom en enkelt horisontal spalte. Hvis du forestiller deg en rett linje fra midten av spalten til veggen, der den linjen treffer veggen, bør det være et lyspunkt med konstruktiv interferens.

Vi kan modellere lyset som går gjennom spalten som en linje med flere punktkilder som alle stråler utover. Lys fra kilder til venstre og høyre for spalten vil ha gått samme avstand for å komme til dette bestemte stedet på veggen, og vil så være i fase og forstyrre konstruktivt. Det neste punktet til venstre og det neste punktet til høyre vil også forstyrre konstruktivt, og så videre, og skape et lyst maksimum i sentrum.

Det første stedet der destruktiv interferens vil oppstå, kan bestemmes som følger: Se for deg lyset kommer fra punktet i venstre ende av spalten (punkt A) og et punkt som kommer fra midten (punkt B). Hvis baneforskjellen fra hver av disse kildene til veggen avviker med 1 / 2λ, 3 / 2λ og så videre, vil de ødelegge forstyrrende.

Hvis vi tar neste punkt inn til venstre og neste punkt til høyre for midten, er banelengdeforskjellen mellom disse to kildepunktene og de to første ville være omtrent de samme, og slik ville de også ødelegge forstyrre.

Dette mønsteret gjentas for alle gjenværende parpunkter, noe som betyr at hvis lys kommer fra punkt A og punkt B forstyrrer på et gitt sted på veggen, så opplever alt lyset som kommer gjennom spalten forstyrrelser ved det samme sted.

Et litt annet diffraksjonsmønster kan også oppnås ved å føre lys gjennom to små spalter atskilt med avstand a i et dobbelt spalteeksperiment. Her ser vi konstruktiv interferens (lyse flekker) på veggen når som helst, hvor banelengdeforskjellen mellom lys som kommer fra de to spaltene, er et multiplum av bølgelengden λ.

Forskere bruker bølgeforstyrrelser hver dag for å gjøre spennende funn ved hjelp av interferometre. Et interferometer er et vitenskapelig instrument som bruker interferens fra lysbølger til å foreta målinger og utføre eksperimenter.

Et grunnleggende interferometer tar en laserstråle og deler den i to stråler. En stråle vil gjøre veldig forskjellige ting eller få forskjellige ting til å gjøre det, avhengig av spørsmålet forskere prøver å svare på. Bjelkene vil da bli kombinert på nytt, men de forskjellige opplevelsene de hadde, vil ha forandret dem. Forskere kan se på forstyrrelsene til de to nå forskjellige laserstrålene for å undersøke vitenskapelige spørsmål, som naturen til gravitasjonsbølger.

Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) er et gigantisk interferometer som sender sine splittede laserstråler 4 km unna og tilbake.

Delte bjelker er i rett vinkel, så hvis en gravitasjonsbølge passerer gjennom interferometeret, vil det påvirke hver stråle forskjellig. Dette betyr at de vil forstyrre hverandre når de rekombineres, og interferensmønsteret forteller fysikere om hva som forårsaket gravitasjonsbølgene. Slik oppdaget LIGO gravitasjonsbølger fra sorte hull som krasjet sammen, et funn som vant Nobelprisen i 2017.