Bølgeforstyrrelse: Konstruktiv og destruktiv (uden eksempler)

Nogle gange når en bølge rejser gennem et medium, støder den på en anden bølge, og også rejser gennem det samme medium. Hvad sker der, når disse bølger kolliderer? Det viser sig, at bølgerne kombineres på en relativt intuitiv, let beregnet måde. Ikke kun det, men der er også masser af nyttige anvendelser af bølgeforstyrrelse både i laboratoriet og i hverdagen.
Kombination af bølger

At vide, hvad kombinationen af bølger vil gør til et givet punkt i mediet på et givet tidspunkt, du blot tilføjer, hvad de ville gøre uafhængigt. Dette kaldes princippet om superposition
.

Hvis du f.eks. Skulle plotte de to bølger på den samme graf, ville du blot tilføje deres individuelle amplituder på hvert punkt for at bestemme det resulterende bølge. Nogle gange vil den resulterende amplitude have en større kombineret styrke på det tidspunkt, og undertiden vil bølgenes virkninger delvist eller fuldstændigt annullere hinanden.

Forestil dig, om vi havde bølge A, der rejser til højre og bølge B, der kører til venstre. Hvis vi ser på et bestemt punkt i rummet, hvor bølge A havde en opadgående forskydning på 2 enheder, mens bølge B havde en nedadgående forskydning på 1 enhed, ville den resulterende bølge have en opadgående forskydning på 1 enhed: 2 - 1 \u003d 1.
Konstruktiv interferens

I konstruktiv interferens
, skal forskydningen af mediet være i samme retning for begge bølger. De kombineres for at lave en enkelt bølge med en større amplitude end hver bølge individuelt. For perfekt konstruktiv interferens skal bølgerne være i fase - hvilket betyder, at deres toppe og dale stiller perfekt op - og har den samme periode.
Destruktiv interferens

For destruktiv interferens
, forskydningen af mediet for den ene bølge er i modsat retning som den anden bølgs retning. Amplituden af den resulterende bølge vil være mindre end bølgen med den større amplitude.

For perfekt destruktiv interferens, hvor bølgerne annullerer hinanden for at skabe nul amplitude, skal bølgerne være nøjagtigt ude af fase - hvilket betyder toppen af den ene linje perfekt sammen med den anden dal - og har den samme periode og
amplitude. (Hvis amplituderne ikke er ens, annulleres bølgerne ikke til nøjagtigt nul.)

Bemærk, at destruktiv interferens ikke stopper bølgen; det bringer bare sin amplitude på det bestemte sted til nul. Interferens er, hvad der sker, når bølger passerer gennem hinanden - når bølgerne ikke længere interagerer, går de tilbage til deres oprindelige amplituder.
Reflecting Waves

Bølger kan reflektere overflader og faste punkter, uanset hvor mediet de rejser gennem ændringer til et andet medium.

Hvis en streng er fastgjort på den ene side, vil en hvilken som helst bølge, der kører langs strengen, der rammer det faste punkt, reflektere fra den "op og ned" eller som en omvendt version af den originale bølge. Hvis en streng er fri på den ene side, vil enhver bølge, der bevæger sig langs strengen, der rammer slutningen, reflektere fra den højre side opad. Hvis en streng er bundet til en anden streng med en anden densitet, vil en bølge ramme den forbindelsesdel af den afspejle (som om enden af strengen var fast), og en del af den fortsætter.

Når en bølge i vand eller luft rammer en overflade, det reflekteres fra den overflade i den samme vinkel, som den ramte. Dette kaldes hændelsesvinklen.

Reflekterede bølger kan ofte forstyrre sig selv, som under særlige omstændigheder kan skabe en speciel slags bølge kendt som en stående bølge.
Standing Waves

Forestil dig en streng med den ene eller begge ender faste. En bølge, der kører på denne streng, der rammer en fast ende, vil afspejle sig fra den ende, rejse i den modsatte retning og forstyrre den originale bølge, der skabte den.

Denne interferens er ikke nødvendigvis perfekt konstruktiv eller destruktiv, medmindre strengens længde er et multiplum af halvdelen af bølgens bølgelængde.

[billede af grundlæggende /harmoniske stående frekvenser]

Dette skaber et stående bølgemønster: udgående originale bølger interfererer med reflekterede bølger, som de Bølgerne, der går i modsatte retninger, forstyrrer hinanden på en sådan måde, at de ikke længere ser ud, som om de bevæger sig; i stedet ser det ud som om dele af strengen simpelthen bevæger sig op og ned på plads. Dette forekommer for eksempel i guitarstrenge, når de plukkes.

Punktene på strengen, der vises faste, kaldes noder
. Midtvejs mellem hvert par af noder er et punkt på strengen, der når maksimal amplitude; disse punkter kaldes antinoder
.

grundlæggende frekvens
, eller første harmoniske
, for en streng opstår, når strengens længde er halv af bølgelængden på bølgen. Den stående bølge ligner derefter en enkelt bølgetop, der vibrerer op og ned; den har en antinode og en knude i hver ende af strengen.

Den stående bølge med strenglængde lig med bølgelængden af bølgen kaldes den anden harmoniske; det har to antinoder og tre noder, hvor to noder er i enderne og en knude er i midten. Harmonik er meget vigtigt for, hvordan musikinstrumenter skaber musik.
Eksempler på bølgeforstyrrelse

Støjdæmpende hovedtelefoner fungerer efter princippet om destruktiv interferens fra lydbølger. En mikrofon på hovedtelefonerne registrerer enhver lavniveau-støj omkring dig, og derefter udsender hovedtelefonerne lydbølger i dine ører, som ødelægger den omgivende støj ødelæggende. Dette annullerer den omgivende støj fuldstændigt, så du kan høre din musik og podcasts meget mere tydeligt i et støjende miljø.

Lyddæmpere på biler fungerer på samme måde, skønt på en mere mekanisk måde. Størrelsen på kamrene i en lyddæmper er nøjagtigt designet, så når først motorstøjen kommer ind i lyddæmperen, forstyrrer den ødelæggende sin egen reflekterede støj, hvilket gør bilen mere støjsvag.

Mikrobølgelys udsendt fra din mikrobølgeovn oplever også interferens. Der er steder i din mikrobølgeovn, hvor lysbølger, der udsendes ind i ovnens indre konstruktivt og destruktivt forstyrrer, enten opvarmer du din mad mere eller mindre. Dette er grunden til, at de fleste mikrobølgeovne har en roterende plade indeni: For at forhindre, at din mad bliver frosset på nogle steder og koger i andre. (Ikke en perfekt løsning, men det er bedre end, at maden forbliver i ro!)

Bølgeforstyrrelser er en meget vigtig overvejelse, når man designer koncertsaler og auditorier. Disse rum kan have "døde pletter", hvor lyden fra scenen, der reflekteres fra overfladerne i rummet, destruktivt griber ind på et bestemt sted i publikum. Dette kan forhindres ved omhyggelig placering af lydabsorberende og lydreflekterende materialer i vægge og loft. Nogle koncertsaler har talere, der er rettet mod disse pletter for at gøre det muligt for publikum, der sidder der, stadig at høre ordentligt.
Interferensmønstre af elektromagnetiske bølger

Ligesom med andre bølger kan lysbølger forstyrre hinanden og kan diffrahere eller bøje omkring en barriere eller åbning. En bølge afbrydes mere, når åbningen er tættere i størrelse på bølgelængden af bølgen. Denne diffraktion forårsager et interferensmønster - regioner, hvor bølgerne samles og regioner, hvor bølgerne annullerer hinanden.

Lad os tage eksemplet med lys, der går gennem en enkelt vandret spalte. Hvis du forestiller dig en lige linje fra midten af spalten til væggen, hvor den linje rammer væggen, skal være et lyspunkt af konstruktiv interferens.

Vi kan modellere lyset, der passerer gennem spalten som en linje af flere punktkilder, som alle stråler udad. Lys fra kilderne til venstre og højre for spalten vil have rejst den samme afstand for at komme til netop dette sted på væggen, og vil således være i fase og konstruktivt forstyrre. Det næste punkt ind til venstre og det næste punkt ind til højre vil også konstruktivt blande sig, og så videre, skabe et lyst maksimum i midten.

Det første sted, hvor destruktiv interferens vil forekomme, kan bestemmes som følger: Forestil dig lyset, der kommer fra punktet i den venstre ende af spalten (punkt A) og et punkt, der kommer fra midten (punkt B). Hvis stiforskellen fra hver af disse kilder til væggen adskiller sig med 1 /2λ, 3 /2λ og så videre, vil de destruktivt forstyrre.

Hvis vi tager det næste punkt ind til venstre og næste pege til højre for midten, sti-længdeforskellen mellem disse to kildepunkter og de første to ville være omtrent den samme, og derfor vil de også destruktiv interferere.

Dette mønster gentages for alle resterende punkter , hvilket betyder, at hvis lys, der kommer fra punkt A og punkt B, griber ind på et givet sted på væggen, så oplever alt lys, der kommer gennem spalten, interferens på det samme sted.

Et lidt andet diffraktionsmønster kan også være opnået ved at føre lys gennem to små spalter adskilt med afstand a i et dobbeltsnitseksperiment. Her ser vi konstruktiv interferens (lyse pletter) på væggen når som helst ganglængdeforskellen mellem lys fra de to spalter er et multiplum af bølgelængden λ.
Hvad er et interferometer?

Forskere bruger bølgeforstyrrelser hver dag for at gøre spændende opdagelser ved hjælp af interferometre. Et interferometer er et videnskabeligt instrument, der bruger interferensen af lysbølger til at foretage målinger og udføre eksperimenter.

Et grundlæggende interferometer tager en laserstråle og deler det i to stråler. En stråle vil gøre meget forskellige ting eller få forskellige ting gjort til det, afhængigt af det spørgsmål, som forskerne prøver at besvare. Bjælkerne kombineres derefter igen, men de forskellige oplevelser, de havde, har ændret dem. Forskere kan se på interferensen mellem de to nu forskellige laserstråler for at undersøge videnskabelige spørgsmål, ligesom gravitationsbølgenes art.

Laserinterferometeret Gravitationsbølgebehov (LIGO) er et kæmpe interferometer, der sender sin splittelse laserstråler 4 km (4 km) væk og tilbage.

Delte bjælker er i en ret vinkel, så hvis en gravitationsbølge passerer gennem interferometeret, vil det påvirke hver bjælke forskelligt. Dette betyder, at de vil forstyrre hinanden, når de rekombineres, og interferensmønsteret fortæller fysikere om, hvad der forårsagede tyngdekraftsbølgerne. Sådan opdagede LIGO tyngdekraftsbølger fra sorte huller, der styrtede sammen, en opdagelse, der vandt Nobelprisen i 2017.