Interferência de onda: construtiva e destrutiva (c / exemplos)

Às vezes, quando uma onda viaja por um meio, ela encontra outra onda, também viajando pelo mesmo meio. O que acontece quando essas ondas colidem? Acontece que as ondas se combinam de uma maneira relativamente intuitiva e fácil de calcular. Não só isso, mas também existem muitas aplicações úteis deinterferência de ondatanto no laboratório quanto na vida cotidiana.

Para saber o que a combinação de ondas fará em um determinado ponto do meio em um determinado momento, basta adicionar o que elas fariam independentemente. Isso é chamado deprincípio de superposição​.

Por exemplo, se você fosse plotar as duas ondas no mesmo gráfico, você simplesmente adicionaria suas amplitudes individuais em cada ponto para determinar a onda resultante. Às vezes, a amplitude resultante terá uma magnitude combinada maior naquele ponto, e às vezes os efeitos das ondas se cancelarão parcial ou completamente.

Imagine se tivéssemos a onda A viajando para a direita e a onda B viajando para a esquerda. Se olharmos para um certo ponto no espaço onde a onda A teve um deslocamento para cima de 2 unidades, enquanto a onda B teve um deslocamento para baixo de 1 unidade, a onda resultante teria um deslocamento para cima de 1 unidade: 2 - 1 = 1.

Dentrointerferência construtiva, o deslocamento do meio deve ser na mesma direção para ambas as ondas. Eles se combinam para formar uma única onda com uma amplitude maior do que cada onda individualmente. Para uma interferência construtiva perfeita, as ondas devem estar em fase - ou seja, seus picos e vales se alinham perfeitamente - e ter o mesmo período.

ParaInterferência destrutiva, o deslocamento do meio para uma onda está na direção oposta ao da outra onda. A amplitude da onda resultante será menor do que a onda com a amplitude maior.

Para uma interferência destrutiva perfeita, onde as ondas se cancelam para criar amplitude zero, as ondas devem ser exatamente fora de fase - ou seja, o pico de um alinha-se perfeitamente com o vale do outro - e tem o mesmo períodoeamplitude. (Se as amplitudes não forem as mesmas, as ondas não serão canceladas exatamente para zero.)

Observe que a interferência destrutiva não para a onda; ele apenas traz sua amplitude naquele lugar específico para zero. Interferência é o que acontece quando as ondas passam umas pelas outras - uma vez que as ondas não estão mais interagindo, elas voltam às suas amplitudes originais.

As ondas podem refletir em superfícies e pontos fixos onde quer que o meio pelo qual eles viajam mude para um meio diferente.

Se uma corda for fixada em um lado, qualquer onda viajando ao longo da corda e atingindo aquele ponto fixo irá refletir fora dela "de cabeça para baixo" ou como uma versão reversa da onda original. Se uma corda estiver livre em um lado, qualquer onda que viaje ao longo da corda e chegue ao fim será refletida com o lado direito para cima. Se uma corda estiver amarrada a outra corda de densidade diferente, quando uma onda atingir aquela conexão, parte dela refletirá (como se a ponta da corda fosse fixada) e parte continuará.

Quando uma onda na água ou no ar atinge uma superfície, ela se reflete nessa superfície no mesmo ângulo em que atingiu. Isso é chamado de ângulo de incidência.

As ondas refletidas muitas vezes podem interferir em si mesmas, o que pode, em circunstâncias especiais, criar um tipo especial de onda conhecido como onda estacionária.

Imagine uma corda com uma ou ambas as pontas fixas. Uma onda viajando nesta corda que atinge uma extremidade fixa refletirá nessa extremidade, viajando na direção oposta, e interferirá na onda original que a criou.

Essa interferência não é necessariamente perfeitamente construtiva ou destrutiva, a menos que o comprimento da corda seja um múltiplo da metade do comprimento de onda da onda.

[imagem de frequências permanentes fundamentais / harmônicas]

Isso cria um padrão de onda estacionária: ondas originais de saída interferindo nas ondas refletidas à medida que se movem em direções opostas. As ondas que vão em direções opostas interferem umas nas outras de tal maneira que não parecem mais estar se movendo; em vez disso, parece que as seções da corda estão simplesmente se movendo para cima e para baixo no lugar. Isso ocorre, por exemplo, nas cordas do violão quando são dedilhadas.

Os pontos da string que parecem fixos são chamadosnós. A meio caminho entre cada par de nós está um ponto na corda que atinge a amplitude máxima; esses pontos são chamadosantinodos​.

Ofrequência fundamental, ouprimeiro harmônico, de uma corda ocorre quando o comprimento da corda é a metade do comprimento de onda da onda. A onda estacionária então se parece com um único pico de onda vibrando para cima e para baixo; ele tem um antinó e um nó em cada extremidade da string.

A onda estacionária com comprimento da corda igual ao comprimento de onda da onda é chamada de segundo harmônico; tem dois antinodos e três nós, onde dois nós estão nas extremidades e um nó está no centro. Os harmônicos são muito importantes para a forma como os instrumentos musicais criam música.

Os fones de ouvido com cancelamento de ruído funcionam com base no princípio da interferência destrutiva das ondas sonoras. Um microfone nos fones de ouvido detecta qualquer ruído de baixo nível ao seu redor e, em seguida, os fones de ouvido emitem ondas sonoras em seus ouvidos que interferem de forma destrutiva com o ruído ambiente. Isso cancela completamente o ruído ambiente, permitindo que você ouça sua música e podcasts com muito mais clareza em um ambiente barulhento.

Silenciosos em carros funcionam de forma semelhante, embora de uma forma mais mecânica. O tamanho das câmaras em um silenciador é precisamente projetado de forma que, uma vez que o ruído do motor entre no silenciador, ele interfira destrutivamente com seu próprio ruído refletido, tornando o carro mais silencioso.

A luz de micro-ondas emitida pelo seu forno de micro-ondas também sofre interferência. Existem locais dentro do micro-ondas onde as ondas de luz emitidas para o interior do forno interferem de forma construtiva e destrutiva, aquecendo mais ou menos a comida. É por isso que a maioria dos fornos de micro-ondas tem um prato giratório dentro: para evitar que os alimentos congelem completamente em alguns pontos e fervam em outros. (Não é uma solução perfeita, mas é melhor do que a comida ficar parada!)

A interferência das ondas é uma consideração muito importante ao projetar salas de concerto e auditórios. Essas salas podem ter "pontos mortos", onde o som do palco, refletido nas superfícies da sala, interfere destrutivamente em um determinado local da platéia. Isso pode ser evitado através da colocação cuidadosa de materiais absorventes e refletores de som nas paredes e no teto. Algumas salas de concerto terão alto-falantes direcionados a esses locais para permitir que o público sentado ali ainda ouça corretamente.

Assim como com outras ondas, as ondas de luz podem interferir umas nas outras e difratar, ou dobrar, em torno de uma barreira ou abertura. Uma onda difrata mais quando a abertura está mais próxima em tamanho ao comprimento de onda da onda. Essa difração causa um padrão de interferência - regiões onde as ondas se somam e regiões onde as ondas se cancelam.

Vejamos o exemplo da luz passando por uma única fenda horizontal. Se você imaginar uma linha reta do centro da fenda até a parede, onde essa linha atinge a parede deve ser um ponto brilhante de interferência construtiva.

Podemos modelar a luz que passa pela fenda como uma linha de fontes pontuais múltiplas que irradiam para fora. A luz das fontes à esquerda e à direita da fenda terá percorrido a mesma distância para chegar a este ponto específico na parede e, portanto, estará em fase e interferirá construtivamente. O próximo ponto à esquerda e o próximo ponto à direita também interferirão construtivamente, e assim por diante, criando um máximo de brilho no centro.

O primeiro ponto onde ocorrerá a interferência destrutiva pode ser determinado da seguinte forma: Imagine a luz vindo do ponto na extremidade esquerda da fenda (ponto A) e um ponto vindo do meio (ponto B). Se a diferença do caminho de cada uma dessas fontes para a parede difere em 1 / 2λ, 3 / 2λ e assim por diante, eles interferirão destrutivamente.

Se pegarmos o próximo ponto à esquerda e o próximo ponto à direita do meio, a diferença de comprimento do caminho entre esses dois pontos de origem e os dois primeiros seriam aproximadamente iguais e, portanto, também seriam destrutivamente interferir.

Este padrão se repete para todos os pares de pontos restantes, o que significa que, se a luz vier do ponto A e do ponto B interfere em um determinado ponto na parede, então toda a luz que entra pela fenda sofre interferência naquele mesmo lugar.

Um padrão de difração ligeiramente diferente também pode ser obtido pela passagem da luz através de duas pequenas fendas separadas pela distância a em um experimento de dupla fenda. Aqui, vemos interferência construtiva (pontos brilhantes) na parede sempre que a diferença do comprimento do caminho entre a luz proveniente das duas fendas é um múltiplo do comprimento de onda λ.

Os cientistas usam a interferência das ondas todos os dias para fazer descobertas interessantes, usando interferômetros. Um interferômetro é um instrumento científico que usa a interferência de ondas de luz para fazer medições e realizar experimentos.

Um interferômetro básico pega um feixe de laser e o divide em dois feixes. Um feixe fará coisas muito diferentes ou fará coisas diferentes com ele, dependendo da pergunta que os cientistas estão tentando responder. Os feixes serão então recombinados, mas as diferentes experiências que eles tiveram os mudaram. Os cientistas podem observar a interferência dos dois feixes de laser, agora diferentes, para investigar questões científicas, como a natureza das ondas gravitacionais.

O Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser (LIGO) é um interferômetro gigante que envia seus feixes de laser divididos a 4 km de distância e de volta.

Os feixes divididos estão em um ângulo reto, portanto, se uma onda gravitacional passar pelo interferômetro, afetará cada feixe de maneira diferente. Isso significa que eles irão interferir uns nos outros quando forem recombinados, e o padrão de interferência informa aos físicos sobre o que causou as ondas gravitacionais. Foi assim que o LIGO detectou ondas gravitacionais de buracos negros se chocando, descoberta que ganhou o Prêmio Nobel em 2017.