Dalga Girişimi: Yapıcı ve Yıkıcı (Örneklerle)

Bazen bir dalga bir ortamda ilerlerken, yine aynı ortamda ilerleyen başka bir dalgayla karşılaşır. Bu dalgalar çarpıştığında ne olur? Dalgaların nispeten sezgisel, hesaplanması kolay bir şekilde birleştiği ortaya çıktı. Sadece bu değil, aynı zamanda birçok yararlı uygulama var.dalga girişimihem laboratuvarda hem de günlük hayatta.

Zamanın belirli bir noktasında ortamdaki belirli bir noktaya dalgaların kombinasyonunun ne yapacağını bilmek için, bağımsız olarak ne yapacaklarını eklemeniz yeterlidir. Bu denirsüperpozisyon ilkesi​.

Örneğin, iki dalgayı aynı grafik üzerinde çizecek olsaydınız, sonuçtaki dalgayı belirlemek için her bir noktada tek tek genliklerini eklerdiniz. Bazen ortaya çıkan genlik o noktada daha büyük bir birleşik büyüklüğe sahip olacak ve bazen dalgaların etkileri kısmen veya tamamen birbirini iptal edecektir.

Sağa giden A dalgası ve sola giden B dalgası olduğunu hayal edin. Uzayda A dalgasının 2 birim yukarı doğru yer değiştirmesine sahip olduğu, B dalgasının ise 1 birim aşağı yer değiştirme, ortaya çıkan dalga 1 birim yukarı yer değiştirmeye sahip olacaktır: 2 - 1 = 1.

İçindeyapıcı girişim, ortamın yer değiştirmesi her iki dalga için aynı yönde olmalıdır. Tek tek her iki dalgadan daha büyük genliğe sahip tek bir dalga oluşturmak için bir araya gelirler. Mükemmel yapıcı girişim için, dalgalar aynı fazda olmalıdır - yani zirveleri ve vadileri mükemmel bir şekilde sıralanır - ve aynı periyoda sahip olmalıdır.

İçinyokedici girişim, bir dalga için ortamın yer değiştirmesi diğer dalganınkiyle ters yöndedir. Ortaya çıkan dalganın genliği, daha büyük genliğe sahip dalganın genliğinden daha az olacaktır.

Sıfır genlik oluşturmak üzere dalgaların birbirini iptal ettiği mükemmel yıkıcı girişim için, dalgalar tam olarak faz dışı - yani birinin zirvesi diğerinin vadisiyle mükemmel bir şekilde aynı hizada - ve aynı periyoda sahipvegenlik. (Genlikler aynı değilse, dalgalar tam olarak sıfıra gitmeyecektir.)

Yıkıcı girişimin dalgayı durdurmadığını unutmayın; sadece o yerdeki genliğini sıfıra getirir. Girişim, dalgalar birbirinden geçtiğinde olan şeydir - dalgalar artık etkileşime girmediğinde, orijinal genliklerine geri dönerler.

Dalgalar, hareket ettikleri ortamın farklı bir ortama geçtiği her yerde yüzeylerden ve sabit noktalardan yansıyabilir.

Bir ip bir tarafa sabitlenmişse, ip boyunca hareket eden ve bu sabit noktaya çarpan herhangi bir dalga, ondan "baş aşağı" veya orijinal dalganın ters versiyonu olarak yansır. Bir ipin bir tarafında serbest ise, ip boyunca ilerleyen herhangi bir dalga sonuna çarpan ipten sağ tarafı yukarı yansıyacaktır. Bir ip farklı yoğunluktaki başka bir ipe bağlanırsa, bir dalga o bağlantıya çarptığında onun bir kısmı yansır (sanki ipin ucu sabitlenmiş gibi) ve bir kısmı devam eder.

Sudaki veya havadaki bir dalga bir yüzeye çarptığında, o yüzeyden çarptığı açıyla yansır. Buna olay açısı denir.

Yansıyan dalgalar genellikle kendi kendilerine müdahale edebilir ve bu da özel durumlarda duran dalga olarak bilinen özel bir dalga türü oluşturabilir.

Bir veya iki ucu sabit olan bir dize hayal edin. Bu ipte hareket eden ve sabit bir uca çarpan bir dalga, o uçtan yansır, ters yönde hareket eder ve onu yaratan orijinal dalgaya müdahale eder.

Telin uzunluğu dalganın dalga boyunun yarısının katı olmadığı sürece, bu girişim mutlaka tam olarak yapıcı veya yıkıcı değildir.

[temel/harmonik sabit frekansların görüntüsü]

Bu, duran bir dalga paterni yaratır: giden orijinal dalgalar, zıt yönlerde hareket ederken yansıyan dalgalara müdahale eder. Zıt yönlerde giden dalgalar, artık hareket ediyormuş gibi görünmeyecek şekilde birbirleriyle etkileşirler; bunun yerine, dizenin bölümleri yerinde yukarı ve aşağı hareket ediyormuş gibi görünür. Bu, örneğin gitar telleri koparıldıklarında meydana gelir.

Dize üzerinde sabit görünen noktalara denir.düğümler. Her düğüm çiftinin ortasında, maksimum genliğe ulaşan dize üzerinde bir nokta bulunur; bu noktalar denirantinodlar​.

temel frekansveyailk harmonik, bir dizenin uzunluğu, dalganın dalga boyunun yarısı olduğunda oluşur. Duran dalga daha sonra yukarı ve aşağı titreşen tek bir dalga zirvesi gibi görünür; bir antinodu ve dizenin her iki ucunda bir düğümü vardır.

İp uzunluğu dalganın dalga boyuna eşit olan duran dalgaya ikinci harmonik denir; iki antinodu ve üç düğümü vardır, burada iki düğüm uçlarda ve bir düğüm merkezdedir. Harmonikler, müzik aletlerinin nasıl müzik yarattığı konusunda çok önemlidir.

Gürültü önleyici kulaklıklar, ses dalgalarının yıkıcı girişimi ilkesiyle çalışır. Kulaklıklardaki bir mikrofon, etrafınızdaki düşük seviyeli gürültüleri algılar ve ardından kulaklıklar, kulaklarınıza ortam gürültüsüne zarar veren ses dalgaları yayar. Bu, ortam gürültüsünü tamamen ortadan kaldırarak müziğinizi ve podcast'lerinizi gürültülü bir ortamda çok daha net duymanızı sağlar.

Arabalardaki susturucular, daha mekanik bir tarzda olsa da benzer şekilde çalışır. Bir susturucudaki bölmelerin boyutu, motor gürültüsü susturucuya girdiğinde, kendi yansıyan gürültüsüne yıkıcı bir şekilde müdahale ederek aracı daha sessiz hale getirecek şekilde hassas bir şekilde tasarlanmıştır.

Mikrodalga fırınınızın yaydığı mikrodalga ışığı da parazite maruz kalır. Mikrodalganızın içinde, fırının içine yayılan ışık dalgalarının yapıcı ve yıkıcı bir şekilde müdahale ettiği, yemeğinizi az ya da çok ısıttığı yerler vardır. Bu nedenle çoğu mikrodalga fırının içinde döner bir plaka bulunur: yemeğinizin bazı noktalarda tamamen donmasını ve diğerlerinde kaynamasını önlemek için. (Mükemmel bir çözüm değil, ama yemeğin hareketsiz kalmasından daha iyidir!)

Konser salonları ve oditoryumlar tasarlanırken dalga girişimi çok önemli bir husustur. Bu odalarda, sahneden gelen, odadaki yüzeylerden yansıyan sesin, seyircide belirli bir yerde yıkıcı bir şekilde müdahale ettiği "ölü noktalar" olabilir. Bu, duvarlara ve tavana ses emici ve sesi yansıtan malzemelerin dikkatli bir şekilde yerleştirilmesiyle önlenebilir. Bazı konser salonlarında, orada oturan seyircilerin hala düzgün bir şekilde duymalarını sağlamak için bu noktalara yönelik hoparlörler olacaktır.

Tıpkı diğer dalgalarda olduğu gibi, ışık dalgaları da birbirleriyle etkileşebilir ve bir bariyer veya açıklığın etrafında kırılabilir veya bükülebilir. Açıklığın boyutu dalganın dalga boyuna daha yakın olduğunda bir dalga daha fazla kırınıma uğrar. Bu kırınım, bir girişim desenine neden olur - dalgaların bir araya geldiği bölgeler ve dalgaların birbirini iptal ettiği bölgeler.

Tek bir yatay yarıktan geçen ışık örneğini ele alalım. Yarık merkezinden duvara doğru düz bir çizgi hayal ederseniz, bu çizginin duvara çarptığı yer parlak bir yapıcı girişim noktası olmalıdır.

Yarıktan geçen ışığı, tümü dışa doğru yayılan çoklu nokta kaynaklarının bir çizgisi olarak modelleyebiliriz. Yarıkların solundaki ve sağındaki kaynaklardan gelen ışık, duvardaki bu belirli noktaya ulaşmak için aynı mesafeyi kat etmiş olacak ve böylece aynı fazda olacak ve yapıcı olarak müdahale edecektir. Soldaki bir sonraki nokta ve sağdaki bir sonraki nokta da yapıcı olarak müdahale edecek ve böylece merkezde parlak bir maksimum yaratacaktır.

Yıkıcı girişimin meydana geleceği ilk nokta şu şekilde belirlenebilir: Işığı hayal edin. yarığın sol ucundaki noktadan (A noktası) ve ortasından gelen bir noktadan (B noktası) geliyor. Bu kaynakların her birinden duvara olan yol farkı 1/2λ, 3/2λ vb. farklılık gösteriyorsa, bunlar yıkıcı olarak müdahale edeceklerdir.

Ortanın solundaki bir sonraki noktayı ve sağdaki bir sonraki noktayı alırsak, yol uzunluğu farkı bu iki kaynak noktası ile ilk ikisi arasındaki mesafe yaklaşık olarak aynı olacaktır ve bu nedenle de yıkıcı bir şekilde karışmak.

Bu model, kalan tüm nokta çiftleri için tekrarlanır, yani eğer ışık A noktasından ve B noktasından geliyorsa duvardaki belirli bir noktada girişimde bulunursa, yarıktan geçen tüm ışık o noktada girişim yaşar. aynı nokta.

Bir çift yarık deneyinde ışığın a mesafesiyle ayrılmış iki küçük yarıktan geçirilmesiyle de biraz farklı bir kırınım deseni elde edilebilir. Burada, iki yarıktan gelen ışık arasındaki yol uzunluğu farkının dalga boyunun λ katı olduğu her zaman duvarda yapıcı girişim (parlak noktalar) görüyoruz.

Bilim adamları, enterferometreler kullanarak heyecan verici keşifler yapmak için her gün dalga girişimini kullanırlar. Bir interferometre, ölçüm yapmak ve deneyler yapmak için ışık dalgalarının girişimini kullanan bilimsel bir araçtır.

Temel bir interferometre, bir lazer ışını alır ve onu iki ışına böler. Bilim adamlarının cevaplamaya çalıştığı soruya bağlı olarak, bir ışın çok farklı şeyler yapacak veya ona farklı şeyler yaptıracaktır. Işınlar daha sonra yeniden birleştirilecek, ancak yaşadıkları farklı deneyimler onları değiştirmiş olacak. Bilim adamları, yerçekimi dalgalarının doğası gibi bilimsel soruları araştırmak için artık farklı olan iki lazer ışınının girişimine bakabilirler.

Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO), bölünmüş lazer ışınlarını 2,5 mil (4 km) uzağa ve geriye gönderen dev bir interferometredir.

Bölünmüş ışınlar dik açıdadır, bu nedenle interferometreden bir yerçekimi dalgası geçerse, her ışını farklı şekilde etkiler. Bu, yeniden birleştirildiklerinde birbirlerine müdahale edecekleri anlamına gelir ve girişim deseni fizikçilere yerçekimi dalgalarına neyin neden olduğunu anlatır. LIGO, 2017'de Nobel Ödülü'nü kazanan bir keşif olan, birbirine çarpan kara deliklerden gelen yerçekimi dalgalarını bu şekilde tespit etti.