Таласне сметње: конструктивне и деструктивне (са примерима)

Понекад док талас путује кроз медијум, он наилази на други талас, такође путујући кроз исти медиј. Шта се дешава када се ти таласи сударе? Испоставило се да се таласи комбинују на релативно интуитиван и једноставан начин за израчунавање. И не само то, већ и пуно корисних апликација заталасне сметњекако у лабораторији, тако и у свакодневном животу.

Да бисте знали шта ће комбинација таласа учинити са датом тачком у медијуму у датом тренутку, једноставно додајте шта би они радили независно. Ово се зовепринцип суперпозиције​.

На пример, ако бисте таласирали два таласа на исти графикон, једноставно бисте додали њихове појединачне амплитуде у свакој тачки да бисте одредили резултујући талас. Понекад ће резултујућа амплитуда у тој тачки имати већу комбиновану величину, а понекад ће се ефекти таласа делимично или у потпуности поништити.

Замислите да имамо талас А који путује удесно, а талас Б који путује улево. Ако погледамо одређену тачку у простору где је талас А имао померање нагоре за 2 јединице, док је талас Б имао померање надоле за 1 јединицу, резултујући талас би имао померање према горе за 1 јединицу: 2 - 1 = 1.

Уконструктивно мешање, померање медија мора бити у истом смеру за оба таласа. Комбинују се заједно да би направили један талас веће амплитуде од било којег таласа појединачно. За савршену конструктивну интерференцију, таласи морају бити у фази - што значи да се њихови врхови и долине савршено поравнају - и да имају исти период.

Задеструктивне сметње, померање средине за један талас је у супротном смеру од померања другог таласа. Амплитуда резултујућег таласа биће мања од амплитуде таласа са већом амплитудом.

За савршене деструктивне сметње, где се таласи међусобно поништавају да би створили нулту амплитуду, таласи морају бити тачно ван фазе - што значи да се врх једне линије савршено поравнава са долином друге - и има исти периодиамплитуда. (Ако амплитуде нису исте, таласи се неће поништити на тачно нулу.)

Имајте на уму да деструктивне сметње не заустављају талас; само доводи своју амплитуду на том одређеном месту на нулу. Интерференција је оно што се дешава када таласи пролазе један кроз други - када таласи више не комуницирају, враћају се на своје првобитне амплитуде.

Таласи се могу одбијати од површина и фиксних тачака где год се медијум кроз који се креће променио у други медиј.

Ако је жица фиксирана на једној страни, сваки талас који путује дуж жице који погоди ту фиксну тачку одбијаће се од ње „наопако“ или као обрнута верзија оригиналног таласа. Ако је жица слободна на једној страни, сваки талас који путује дуж жице која удари крај одбијаће се од ње са десне стране нагоре. Ако је низ везан за други низ различите густине, када талас погоди тај део везе ће се одразити (као да је крај жице фиксиран), а део ће се наставити.

Када талас у води или ваздуху погоди површину, он ће се одбити од те површине под истим углом у ком је ударио. То се назива упадни угао.

Рефлектирани таласи често се могу ометати, што у посебним околностима може створити посебну врсту таласа познатог као стојни талас.

Замислите жицу са фиксираним једним или оба краја. Талас који путује на овој жици која погађа фиксни крај одбијаће се од тог краја путујући у супротном смеру и ометати изворни талас који га је створио.

Ова интерференција није нужно савршено конструктивна или деструктивна, осим ако дужина низа није вишекратник половине таласне дужине таласа.

[слика основних / хармонских стојних фреквенција]

Ово ствара образац стојећих таласа: одлазни оригинални таласи ометају се одбијеним таласима док се крећу у супротним смеровима. Таласи који иду у супротним смеровима међусобно се мешају на такав начин да више не изгледају као да се крећу; уместо тога, чини се као да се делови низа једноставно померају горе-доле у ​​месту. То се дешава, на пример, у жицама гитаре када се чупају.

Позваће се тачке на низу које изгледају фиксночворови. Средина између сваког пара чворова је тачка на низу која достиже максималну амплитуду; ове тачке се називајуантиноди​.

Тхеосновна фреквенција, илипрви хармоник, жице се јавља када је дужина жице половина таласне дужине таласа. Стајаћи талас тада изгледа као врх једног таласа који вибрира горе-доле; има по један антинод и по један чвор на сваком крају низа.

Стајаћи талас дужине жице једнаке таласној дужини таласа назива се други хармоник; има два антинода и три чвора, при чему су два чвора на крајевима, а један у центру. Хармоника је веома важна за начин на који музички инструменти стварају музику.

Слушалице са пригушивањем буке раде на принципу деструктивних сметњи звучних таласа. Микрофон на слушалицама детектује било какву буку ниског нивоа око вас, а затим слушалице у ваше уши емитују звучне таласе који деструктивно ометају амбијенталну буку. Ово у потпуности поништава амбијенталну буку, омогућавајући вам да много јасније чујете музику и подкастове у бучном окружењу.

Пригушивачи на аутомобилима раде слично, иако на више механички начин. Величина комора у пригушивачу су прецизно дизајниране тако да једном када бука мотора уђе у пригушивач, деструктивно омета сопствену одбијену буку, чинећи аутомобил тишим.

Сметње има и микроталасна светлост коју емитује микроталасна рерна. У вашој микроталасној пећници постоје места на којима светлосни таласи који се емитују у унутрашњост рерне конструктивно и деструктивно ометају, или више или мање загревајући храну. Због тога већина микроталасних пећница има ротирајућу плочу у себи: да се храна не замрзне на неким местима и не прокључа на другима. (Није савршено решење, али је боље него да храна остане мирна!)

Таласне сметње су веома важне при дизајнирању концертних сала и гледалишта. Ове собе могу имати „мртве тачке“, где се звук са сцене, који се одбија од површина у соби, деструктивно омета на одређеном месту у публици. То се може спречити пажљивим постављањем материјала који апсорбују звук и одбијају звук у зидове и плафон. Неке концертне сале ће имати звучнике усмерене на та места како би омогућили члановима публике да седе и даље да правилно чују.

Баш као и код осталих таласа, и светлосни таласи могу да се међусобно ометају и могу да дифрактирају или се савијају око преграде или отвора. Талас се више дифрактује када је отвор ближе таласној дужини таласа. Ова дифракција узрокује интерференцијски образац - региони у којима се таласи сабирају и региони у којима се таласи међусобно поништавају.

Узмимо пример светлости која пролази кроз један хоризонтални прорез. Ако замислите равну линију од средишта прореза до зида, где та линија удара о зид, требало би да буде светла тачка конструктивних сметњи.

Можемо моделирати светлост која пролази кроз прорез као линију више тачкастих извора који сви зраче према споља. Светлост изворишта лево и десно од прореза превалила је исту раздаљину да би стигла до овог одређеног места на зиду, и тако ће бити у фази и конструктивно ометати. Следећа тачка лево и следећа тачка десно такође ће се конструктивно ометати, и тако даље, стварајући светао максимум у центру.

Прво место где ће доћи до деструктивних сметњи може се одредити на следећи начин: Замислите светлост долазећи од тачке на левом крају прореза (тачка А) и тачке која долази од средине (тачка Б). Ако се разлика путање од сваког од тих извора до зида разликује за 1 / 2λ, 3 / 2λ и тако даље, онда ће они деструктивно ометати.

Ако узмемо следећу тачку лево и следећу тачку десно од средине, разлика дужине путање између ове две изворне тачке и прве две биле би приближно исте, па би такође биле деструктивне ометати.

Овај образац се понавља за све преостале парове тачака, што значи да ако светлост долази из тачке А и тачке Б омета на датом месту на зиду, тада сва светлост која долази кроз прорез доживљава сметње у томе исто место.

Нешто другачији образац дифракције такође се може добити пропуштањем светлости кроз два мала прореза раздвојена растојањем а у експерименту са двоструким прорезима. Овде видимо конструктивне сметње (светле тачке) на зиду кад год је разлика у дужини пута између светлости која долази из два прореза вишеструка таласној дужини λ.

Научници свакодневно користе ометање таласа да би направили узбудљива открића, користећи интерферометре. Интерферометар је научни инструмент који користи интерференцију светлосних таласа за мерење и извођење експеримената.

Основни интерферометар узима ласерски зрак и дели га на два зрака. Једна зрака ће радити врло различите ствари или ће то учинити различите ствари, у зависности од питања на које научници покушавају да одговоре. Затим ће се греде рекомбиновати, али различита искуства која су имали, променила су их. Научници могу погледати сметње два сада различита ласерска зрака да би истражили научна питања, попут природе гравитационих таласа.

Ласер Интерферометер Гравитатионал-ваве Обсерватори (ЛИГО) је гигантски интерферометар који шаље своје раздвојене ласерске зраке удаљене 4 км (4 км) и назад.

Раздвојене зраке су под правим углом, па ако гравитациони талас пролази кроз интерферометар, то ће утицати на сваки сноп различито. То значи да ће се међусобно ометати када се рекомбинују, а образац сметњи говори физичарима о томе шта је проузроковало гравитационе таласе. Тако је ЛИГО открио гравитационе таласе црних рупа које су се заједно срушиле, откриће које је 2017. године добило Нобелову награду.