Motenje valov: konstruktivno in destruktivno (z primeri)

Včasih, ko val potuje skozi medij, naleti na drug val, ki prav tako potuje skozi isti medij. Kaj se zgodi, ko ti valovi trčijo? Izkazalo se je, da se valovi kombinirajo na razmeroma intuitiven in enostaven za izračun način. Ne samo to, ampak obstaja tudi veliko uporabnih aplikacijvalovne motnjetako v laboratoriju kot v vsakdanjem življenju.

Če želite vedeti, kaj bo kombinacija valov naredila v določeni točki v določeni točki medija, preprosto dodate, kaj bi počeli neodvisno. To se imenujenačelo superpozicije​.

Če bi na primer dva vala narisali na isti graf, bi preprosto dodali njihove posamezne amplitude v vsaki točki, da bi določili nastali val. Včasih bo imela dobljena amplituda na tej točki večjo kombinirano velikost, včasih pa se učinki valov med seboj delno ali popolnoma odpovedo.

Predstavljajte si, če bi val A potoval v desno, val B pa v levo. Če pogledamo določeno točko v vesolju, kjer se je val A premaknil navzgor za 2 enoti, medtem ko je val B imel premik navzgor premik navzdol za 1 enoto bi imel posledični val premik navzgor za 1 enoto: 2 - 1 = 1.

Vkonstruktivno poseganjemora biti premik medija v obeh valovih v isti smeri. Združijo se tako, da tvorijo en val z večjo amplitudo kot kateri koli val posebej. Za popolno konstruktivno interferenco morajo biti valovi v fazi - kar pomeni, da se njihovi vrhovi in ​​doline popolnoma poravnajo - in imeti enako obdobje.

Zauničujoče motnje, premik medija za en val je v nasprotni smeri kot za drugi val. Amplituda nastalega vala bo manjša od amplitude vala z večjo amplitudo.

Za popolno uničujoče motnje, kjer se valovi medsebojno izničijo, da ustvarijo ničelno amplitudo, morajo biti valovi natančno izven faze - kar pomeni, da se vrh enega popolnoma ujema z dolino drugega - in ima enako obdobjeinamplitudo. (Če amplitude niso enake, se valovi ne bodo popolnoma izničili.)

Upoštevajte, da uničujoče motnje ne ustavijo vala; samo amplitudo na tem mestu postavi na nič. Motenje je tisto, kar se zgodi, ko valovi prehajajo drug skozi drugega - ko valovi ne delujejo več, se vrnejo v prvotne amplitude.

Valovi se lahko odbijajo od površin in fiksnih točk, kjer koli se medij, skozi katerega potujejo, spremeni v drug medij.

Če je niz pritrjen na eni strani, se bo vsak val, ki potuje po nizu in zadene to fiksno točko, odseval od njega "na glavo" ali kot obratna različica prvotnega vala. Če je vrvica na eni strani prosta, se bo vsak val, ki potuje vzdolž niza in zadene konec, odbil od njega desno navzgor. Če je niz vezan na drug niz drugačne gostote, se bo val, ko zadene val, odseval (kot da je konec niza pritrjen), del pa se bo nadaljeval.

Ko val v vodi ali zraku zadene površino, se bo odbil od te površine pod enakim kotom, kot je udaril. To se imenuje vpadni kot.

Odsevni valovi se pogosto lahko motijo ​​sami, kar lahko v posebnih okoliščinah ustvari posebno vrsto vala, znanega kot stoječi val.

Predstavljajte si vrvico z enim ali obema pritrjenima koncema. Val, ki potuje po tej vrvici, ki zadene fiksni konec, se bo odbijal od tega konca, potuje v nasprotno smer in motil prvotni val, ki ga je ustvaril.

Ta interferenca ni nujno popolnoma konstruktivna ali destruktivna, razen če je dolžina strune večkratnica polovice valovne dolžine vala.

[slika osnovnih / harmoničnih stojnih frekvenc]

To ustvari vzorec stoječih valov: izhodni izvirni valovi motijo ​​odbite valove, ko se premikajo v nasprotnih smereh. Valovi, ki gredo v nasprotnih smereh, se medsebojno motijo ​​tako, da niso več videti kot da se premikajo; namesto tega se zdi, kot da se odseki niza preprosto premikajo navzgor in navzdol. To se na primer zgodi v strunah kitare, ko so oskubljene.

Kličejo se točke na nizu, ki so videti fiksnevozlišča. Na sredini med vsakim parom vozlišč je točka na nizu, ki doseže največjo amplitudo; te točke se imenujejoantinode​.

Theosnovna frekvenca, aliprva harmonika, niza se pojavi, ko je dolžina niza polovica valovne dolžine vala. Stoječi val je nato videti kot en sam val, ki vibrira navzgor in navzdol; ima eno antinodo in eno vozlišče na vsakem koncu niza.

Stoječi val z dolžino strune, ki je enaka valovni dolžini vala, se imenuje druga harmonika; ima dve antinodiji in tri vozlišča, pri čemer sta dve vozlišči na koncih in eno vozlišče v središču. Harmoniki so zelo pomembni za to, kako glasbila ustvarjajo glasbo.

Slušalke za odpravljanje hrupa delujejo po principu uničujočih motenj zvočnih valov. Mikrofon na slušalkah zazna vse tihe zvoke okoli vas, nato pa slušalke v ušesa oddajajo zvočne valove, ki uničujoče vplivajo na hrup okolice. S tem popolnoma prekinete zunanji šum in tako v glasnem okolju veliko jasneje slišite svojo glasbo in poddaje.

Prigušniki na avtomobilih delujejo podobno, čeprav bolj mehanično. Velikost komor v glušniku je natančno zasnovana tako, da ko hrup motorja, ko vstopi v dušilec zvoka, uničujoče vpliva na lasten odsevni hrup, zaradi česar je avto tišji.

Motnje povzroča tudi mikrovalovna svetloba, ki jo oddaja vaša mikrovalovna pečica. V mikrovalovni pečici so mesta, kjer svetlobni valovi, ki oddajajo notranjost pečice, konstruktivno in uničujoče vplivajo, bodisi bolj ali manj segrevajo hrano. Zato ima večina mikrovalovnih pečic v notranjosti vrtljivo ploščo: na nekaterih mestih preprečite, da bi bila hrana popolnoma zamrznjena, na drugih pa vrela. (Ni popolna rešitev, vendar je boljša kot hrana, ki ostane mirna!)

Motenje valov je zelo pomembno pri načrtovanju koncertnih dvoran in avditorijev. V teh sobah so lahko "mrtve točke", kjer zvok z odra, ki se odbije od površin v sobi, uničujoče vpliva na določeno mesto v občinstvu. To lahko preprečimo s skrbnim postavljanjem materialov, ki absorbirajo zvok in odsevajo zvok, v stene in strop. Nekatere koncertne dvorane bodo imele zvočnike, usmerjene na ta mesta, da bodo člani publike, ki sedijo tam, še vedno pravilno slišali.

Tako kot pri drugih valovih lahko tudi svetlobni valovi motijo ​​drug drugega in lahko difraktirajo ali upognejo pregrado ali odprtino. Val bolj difraktira, ko je odprtina bližje valovni dolžini vala. Ta difrakcija povzroča interferenčni vzorec - območja, kjer se valovi seštevajo, in območja, kjer se valovi medsebojno izničijo.

Vzemimo primer svetlobe, ki gre skozi eno vodoravno režo. Če si predstavljate ravno črto od središča reže do stene, mora ta črta, ki zadene steno, svetla točka konstruktivnih motenj.

Luč, ki prehaja skozi režo, lahko modeliramo kot črto več točkovnih virov, ki vsi sevajo navzven. Svetloba iz virov na levi in ​​desni strani reže je prepotovala enako razdaljo, da je prišla do tega mesta na steni, zato bo v fazi in konstruktivno motila. Naslednja točka na levi in ​​naslednja točka na desni bo prav tako konstruktivno motila itd., Kar bo v središču ustvarilo svetel maksimum.

Prvo mesto, kjer se bodo pojavile uničujoče motnje, lahko določimo na naslednji način: Predstavljajte si svetlobo ki prihaja iz točke na levem koncu reže (točka A) in točke, ki prihaja iz sredine (točka B). Če se razlika poti od vsakega od teh virov do stene razlikuje za 1 / 2λ, 3 / 2λ in tako naprej, potem bodo to uničevalno vplivale.

Če vzamemo naslednjo točko na levi in ​​naslednjo točko na desni strani sredine, razliko v dolžini poti med tema dvema izvornima točkama in prvima dvema bi bili približno enaki, zato bi bili tudi uničujoči motijo.

Ta vzorec se ponovi za vse preostale pare točk, kar pomeni, da če svetloba prihaja iz točke A in točke B moti na določenem mestu na steni, potem vsa svetloba, ki prihaja skozi režo, pri tem moti isto mesto.

Nekoliko drugačen difrakcijski vzorec lahko dobimo tudi s prepuščanjem svetlobe skozi dve majhni reži, ločeni z razdaljo a v poskusu z dvojno režo. Tu vidimo konstruktivne interference (svetle lise) na steni kadar koli je razlika v dolžini poti med svetlobo, ki prihaja iz obeh rež, večkratnik valovne dolžine λ.

Znanstveniki uporabljajo interferenco valov vsak dan za razburljiva odkritja z uporabo interferometrov. Interferometer je znanstveni instrument, ki uporablja interference svetlobnih valov za meritve in izvajanje poskusov.

Osnovni interferometer vzame laserski žarek in ga razdeli na dva žarka. En žarek bo naredil zelo različne stvari ali pa bo naredil različne stvari, odvisno od vprašanja, na katerega skušajo odgovoriti znanstveniki. Nato bodo tramovi ponovno kombinirani, vendar so jih drugačne izkušnje spremenile. Znanstveniki lahko preučijo vpliv dveh zdaj različnih laserskih žarkov, da bi raziskali znanstvena vprašanja, kot je narava gravitacijskih valov.

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) je velikanski interferometer, ki pošilja svoje razcepljene laserske žarke 4 km stran in nazaj.

Razdeljeni žarki so pod pravim kotom, tako da če gravitacijski val prehaja skozi interferometer, bo vplival na vsak žarek drugače. To pomeni, da se bodo medsebojno motili, ko bodo rekombinirani, in vzorec motenj fizikom pove, kaj je povzročilo gravitacijske valove. Tako je LIGO zaznal gravitacijske valove črnih lukenj, ki so se strmoglavili, odkritje, ki je leta 2017 prejelo Nobelovo nagrado.