Interferencja

Interferencja fal jest to zjawisko nakładania się kilku fal o tej samej częstotliwości na siebie, w wyniku czego amplituda fali wypadkowej rośnie lub maleje w różnych punktach ośrodka w zależności od różnicy faz fal składowych. Mówimy o tak zwanej superpozycji fal.

Jeżeli falami składowymi są dwie fale sinusoidalne o amplitudach A₁ i A₂, będące w różnicy faz φ, które mają taki sam kierunek drgań, to fala wypadkowa ma amplitudę A w danym punkcie ośrodka daną wzorem:

$A=\sqrt{A_1^2+A_2^2+2A_1A_2cos \phi}$

Dla ułatwienia w dalszych rozważaniach przyjmijmy, że A₁=A₂=A_s.

Jeżeli różnica faz φ=0, to

co oznacza że amplituda fali wypadkowej w każdym punkcie jest dwa razy większa, niż amplituda każdej z fal składowych.

Jeżeli różnica faz φ=π, to cosπ=-1 i amplituda

co oznacza że amplituda fali wypadkowej w każdym punkcie jest równa 0 - fale wygaszają się nawzajem.

Oba przypadki zilustrowano na poniższym rysunku.

W ogólnym przypadku amplituda fali wypadkowej będzie się zatem zawierać w przedziale od 0 do 2A.

Równanie fali wypadkowej

Jeżeli równania dwóch fal dane są wzorami:

y₁=Acos(kx-ωt),

y₂=Acos(kx-ωt+φ),

to równanie fali wypadkowej jest następujące:

$y=y_1+y_2=2Acos \frac{\phi}{2}(kx-\omega t+\frac{\pi}{2})$

Przykłady interferencji

Interferencja zachodzi wówczas, gdy różnica faz fal składowych jest stała w czasie. To tak zwane fale koherentne.

W przypadku światła interferencję łatwo uzyskać, ale będzie to temat odrębnego artykułu.

W przypadku fal dźwiękowych, podłączając do jednego generatora dźwięku dwa głośniki i odsuwając je od siebie zauważymy, że w przestrzeni wokół dźwięk będzie głośniejszy w jednych miejscach i cichy w innych. Idealnego wyciszenia nie uzyskamy z uwagi na odbicia fal w pomieszczeniu.

Interferencję można łatwo zaobserwować także na wodzie. Gdy fala dotrze do dwóch szczelin o szerokości zbliżonej do długości fali, szczeliny te zgodnie ze zasadą Huygensa staną się źródłem dwóch koherentnych fal. Fale ze sobą interferują. Można wówczas zaobserwować, jak w pewnych miejscach na wodzie fale się wygaszają, a w innych wzmacniają.

Zastosowanie interferencji

Interferencja pozwala na precyzyjny pomiar odległości. Znajduje też szerokie zastosowanie w nauce, głównie optyce.

Dość duże znaczenie mają tak zwane fale stojące, które będą tematem osobnego artykułu.

Ciekawostki

Teoretycznie można sobie wyobrazić, że w miejscu hałasu można wygenerować sygnał dźwiękowy, będący w przeciwfazie i w ten sposób wytłumić ten hałas. Póki co, takie urządzenie jeszcze nie powstało.

Pytania

Czy interferencja fal zachodzi także dla światła?

Tak. zjawisko interferencji występuje także w przypadku fal elektromagnetycznych, w tym dla światła. Interferencja zachodzi dla wszystkich fal, także dla fal materii.

Dlaczego dla dwóch koherentnych fal na wodzie lub dźwiękowych o fazach różniących się o 180° nie następuje wygaszenie w całej przestrzeni, a tylko w wybranych miejscach?

Jeżeli rozpatrujemy dany dowolny punkt ośrodka, do którego docierają fale składowe, to za każdym razem w zależności od położenia tego punktu, odległość od dwóch źródeł fali jest inna. Do każdego punktu ośrodka docierają więc fale o różnych fazach (bardziej lub mniej "spóźnione"). Dokładnie w tych miejscach w których docierają fale o różnicy faz 180° następuje wygaszenie, a w innych wzmocnienie. Wynika to z geometrii przestrzeni. Całkowite wygaszenie w całym ośrodku jest możliwe w przypadku ośrodka liniowego. Na powierzchni i w przestrzeni wygaszenie fal następuje w określonych kierunkach.

Od czego zależy skala zniszczeń podczas trzęsienia ziemi?

Od czego to zależy skala zniszczeń budowli na terenie objętym trzęsieniem ziemi? Czy tylko od jego siły?

Dudnienie

Dudnienie jest to zjawisko związane z interferencją fal o zbliżonych częstotliwościach, w wyniku czego okresowo zmienia się amplituda drgań lub fali.

Fala stojąca

Fala stojąca jest to zjawisko występujące w ruchu falowym, gdy interferują ze sobą fale o takiej samej amplitudzie, częstotliwości (tym samym długości fali), jeśli rozchodzą się w przeciwnych kierunkach.

Dyfrakcja

Dyfrakcja jest to zjawisko ugięcia się fal podczas ich rozchodzenia się w niejednorodnym środowisku, na przykład podczas napotkania przez fale przeszkody lub otworu.

Odbicie i załamanie fali

Gdy fala mechaniczna napotka na swojej drodze inny ośrodek materialny, który ma inne właściwości sprężyste, gęstość, dochodzi wówczas do zjawiska odbicia i załamania fali (refrakcji) na granicy tych ośrodków.