Wave Interference: Constructive & Destructive (med exempel)

Ibland när en våg färdas genom ett medium, möter den en annan våg, som också färdas genom samma medium. Vad händer när dessa vågor kolliderar? Det visar sig att vågorna kombineras på ett relativt intuitivt, lätt att beräkna sätt. Inte bara det, men det finns också många användbara applikationer avvågstörningarbåde i labbet och i vardagen.

För att veta vad kombinationen av vågor kommer att göra till en viss punkt i mediet vid en given tidpunkt lägger du helt enkelt till vad de skulle göra självständigt. Detta kallasprincipen om superposition​.

Om du till exempel skulle plotta de två vågorna i samma graf, skulle du helt enkelt lägga till deras individuella amplituder vid varje punkt för att bestämma den resulterande vågen. Ibland kommer den resulterande amplituden att ha en större kombinerad storlek vid den punkten och ibland kommer effekterna av vågorna att helt eller delvis avbryta varandra.

Tänk om vi hade våg A som reser till höger och våg B som reser till vänster. Om vi ​​tittar på en viss punkt i rymden där våg A hade en förskjutning uppåt på 2 enheter, medan våg B hade en nedåtriktad förskjutning av 1 enhet, skulle den resulterande vågen ha en uppåtriktad förskjutning av 1 enhet: 2 - 1 = 1.

Ikonstruktiva störningarmåste förskjutningen av mediet vara i samma riktning för båda vågorna. De kombineras tillsammans för att skapa en enda våg med större amplitud än vardera våg för sig. För perfekt konstruktiv störning måste vågorna vara i fas - vilket betyder att deras toppar och dalar stämmer perfekt - och ha samma period.

Fördestruktiv störning, är förskjutningen av mediet för en våg i motsatt riktning mot den för den andra vågen. Amplituden för den resulterande vågen kommer att vara mindre än den för vågen med den större amplituden.

För perfekt destruktiv störning, där vågorna avbryter varandra för att skapa nollamplitud, måste vågorna vara exakt ur fas - vilket innebär att den ena toppen stämmer perfekt med den andra dalen - och har samma periodochamplitud. (Om amplituderna inte är desamma kommer vågorna inte att avbrytas till exakt noll.)

Observera att destruktiv störning inte stoppar vågen; det tar bara sin amplitud på just det stället till noll. Interferens är vad som händer när vågor passerar genom varandra - när vågorna inte längre interagerar går de tillbaka till sina ursprungliga amplituder.

Vågor kan reflekteras från ytor och fasta punkter varhelst mediet de reser genom ändras till ett annat medium.

Om en sträng är fixerad på ena sidan, reflekteras varje våg längs strängen som träffar den fasta punkten "upp och ner" av den eller som en omvänd version av originalvågen. Om en sträng är ledig på ena sidan, reflekteras varje våg längs strängen som träffar änden av den på höger sida uppåt. Om en sträng är bunden till en annan sträng med en annan densitet, när en våg träffar kommer den anslutningsdelen att reflektera (som om strängens ände var fixad) och en del av den fortsätter.

När en våg i vatten eller luft träffar en yta, kommer den att reflektera från ytan i samma vinkel som den slog. Detta kallas incidentvinkeln.

Reflekterade vågor kan ofta störa sig själva som under speciella omständigheter kan skapa en speciell typ av våg som kallas en stående våg.

Föreställ dig en sträng med den ena eller båda ändarna fixerade. En våg som rör sig på den här strängen som träffar en fast ände kommer att reflektera bort från den änden, färdas i motsatt riktning och stör den ursprungliga vågen som skapade den.

Denna störning är inte nödvändigtvis perfekt konstruktiv eller destruktiv om inte strängens längd är en multipel av hälften av vågens våglängd.

[bild av grundläggande / harmoniska stående frekvenser]

Detta skapar ett stående vågmönster: utgående originalvågor som stör reflekterade vågor när de rör sig i motsatta riktningar. Vågorna som går i motsatta riktningar stör varandra på ett sådant sätt att de inte längre ser ut som de rör sig; istället verkar det som om delar av strängen helt enkelt rör sig upp och ner på plats. Detta inträffar till exempel i gitarrsträngar när de plockas.

Punkterna på strängen som verkar vara fasta kallasknutpunkter. Halvvägs mellan varje par av noder är en punkt på strängen som når maximal amplitud; dessa punkter kallasantinoder​.

Degrundläggande frekvens, ellerförsta övertonen, av en sträng inträffar när strängens längd är hälften av vågens våglängd. Den stående vågen ser sedan ut som en enda vågtopp som vibrerar upp och ner; den har en antinod och en nod i vardera änden av strängen.

Den stående vågen med stränglängd lika med vågens våglängd kallas den andra övertonen; den har två antinoder och tre noder, där två noder är i ändarna och en nod är i mitten. Övertoner är mycket viktiga för hur musikinstrument skapar musik.

Brusreducerande hörlurar fungerar på principen om destruktiv störning av ljudvågor. En mikrofon på hörlurarna upptäcker eventuellt lågt ljudnivå runt dig och sedan avger hörlurarna ljudvågor i dina öron som förstör det omgivande ljudet. Detta avbryter det omgivande ljudet helt, så att du kan höra din musik och podcasts mycket tydligare i en bullrig miljö.

Ljuddämpare på bilar fungerar på samma sätt, men på ett mer mekaniskt sätt. Storleken på en ljuddämpare är exakt utformad så att när motorljudet kommer in i ljuddämparen stör den destruktivt sitt eget reflekterade ljud och gör bilen tystare.

Mikrovågsljus som utsänds av din mikrovågsugn upplever också störningar. Det finns platser i din mikrovågsugn där ljusvågor som släpps ut i ugnen inuti konstruktivt och destruktivt, antingen värmer upp maten mer eller mindre. Det är därför de flesta mikrovågsugnar har en roterande tallrik inuti: för att hålla maten frusen på vissa ställen och koka i andra. (Inte en perfekt lösning, men det är bättre än att maten blir still!)

Vågstörningar är ett mycket viktigt övervägande när man utformar konserthus och auditorier. Dessa rum kan ha "döda fläckar", där ljudet från scenen reflekteras från ytorna i rummet och destruktivt stör på en viss plats i publiken. Detta kan förhindras genom noggrann placering av ljudabsorberande och ljudreflekterande material i väggar och tak. Vissa konserthus kommer att ha högtalare riktade mot dessa platser så att publikmedlemmarna som sitter där fortfarande kan höra ordentligt.

Precis som med andra vågor kan ljusvågor störa varandra och kan brytas, eller böjas, runt en barriär eller öppning. En våg bryts mer när öppningen är närmare vågens våglängd. Denna diffraktion orsakar ett störningsmönster - regioner där vågorna lägger ihop och regioner där vågorna avbryter varandra.

Låt oss ta exemplet med ljus som går genom en enda horisontell slits. Om du föreställer dig en rak linje från slitsens mitt till väggen, där den linjen träffar väggen bör vara en ljuspunkt för konstruktiva störningar.

Vi kan modellera ljuset som passerar genom slitsen som en linje med flera punktkällor som alla strålar utåt. Ljus från källor till vänster och höger om slitsen kommer att ha gått samma avstånd för att komma till just denna plats på väggen, och så kommer det att vara i fas och konstruktivt störa. Nästa punkt in till vänster och nästa punkt in till höger kommer också att störa konstruktivt, och så vidare, skapa ett ljust maximum i mitten.

Den första platsen där destruktiv störning kommer att inträffa kan bestämmas enligt följande: Föreställ dig ljuset kommer från punkten i slitsens vänstra ände (punkt A) och en punkt som kommer från mitten (punkt B). Om vägskillnaden från var och en av dessa källor till väggen skiljer sig med 1 / 2λ, 3 / 2λ och så vidare stör de destruktivt.

Om vi ​​tar nästa punkt in till vänster och nästa punkt till höger om mitten, är väglängdsskillnaden mellan dessa två källpunkter och de två första skulle vara ungefär samma, och så skulle de också destruktivt blanda sig i.

Detta mönster upprepas för alla återstående parpar, vilket betyder att om ljus kommer från punkt A och punkt B stör på en given plats på väggen, då upplever allt ljus som kommer genom slitsen störningar vid det samma plats.

Ett något annorlunda diffraktionsmönster kan också erhållas genom att passera ljus genom två små slitsar åtskilda av avstånd a i ett dubbelslitsförsök. Här ser vi konstruktiva störningar (ljusa fläckar) på väggen närhelst väglängdsskillnaden mellan ljus som kommer från de två slitsarna är en multipel av våglängden λ.

Forskare använder våginterferenser varje dag för att göra spännande upptäckter med hjälp av interferometrar. En interferometer är ett vetenskapligt instrument som använder störningar av ljusvågor för att göra mätningar och utföra experiment.

En grundläggande interferometer tar en laserstråle och delar den i två strålar. En stråle kommer att göra mycket olika saker eller göra olika saker, beroende på vilken fråga forskarna försöker svara på. Strålarna kommer sedan att kombineras igen, men de olika upplevelserna de har förändrat dem. Forskare kan titta på interferensen hos de två nu olika laserstrålarna för att undersöka vetenskapliga frågor, som gravitationsvågornas natur.

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) är en jätte interferometer som skickar sina delade laserstrålar 4 km bort och tillbaka.

De delade strålarna är i rät vinkel, så om en gravitationsvåg passerar genom interferometern kommer det att påverka varje stråle på olika sätt. Detta innebär att de kommer att störa varandra när de rekombineras, och störningsmönstret berättar för fysiker om vad som orsakade gravitationsvågorna. Det är så LIGO upptäckte gravitationsvågor från svarta hål som kraschar tillsammans, en upptäckt som vann Nobelpriset 2017.