A volte mentre un'onda viaggia attraverso un mezzo, incontra un'altra onda, viaggiando anche attraverso lo stesso mezzo. Cosa succede quando queste onde si scontrano? Si scopre che le onde si combinano in un modo relativamente intuitivo e facile da calcolare. Non solo, ma ci sono anche molte utili applicazioni di interferenza delle onde
sia in laboratorio che nella vita di tutti i giorni.
Combinare le onde

Per sapere quale sarà la combinazione delle onde fare ad un determinato punto nel mezzo in un dato momento, semplicemente aggiungi ciò che farebbero indipendentemente. Questo è chiamato principio di sovrapposizione
.

Ad esempio, se dovessi tracciare le due onde sullo stesso grafico, aggiungeresti semplicemente le loro ampiezze individuali in ciascun punto per determinare la risultante onda. A volte l'ampiezza risultante avrà una magnitudine combinata più grande in quel punto, e talvolta gli effetti delle onde si annulleranno parzialmente o completamente l'un l'altro.

Immagina se avessimo l'onda A in viaggio verso destra e l'onda B in viaggio verso la sinistra. Se osserviamo un certo punto nello spazio in cui l'onda A aveva uno spostamento verso l'alto di 2 unità, mentre l'onda B aveva uno spostamento verso il basso di 1 unità, l'onda risultante avrebbe uno spostamento verso l'alto di 1 unità: 2 - 1 \u003d 1.
Interferenza costruttiva

In interferenza costruttiva
, lo spostamento del mezzo deve essere nella stessa direzione per entrambe le onde. Si combinano insieme per formare una singola onda con un'ampiezza maggiore rispetto a ciascuna delle due onde singolarmente. Per una perfetta interferenza costruttiva, le onde devono essere in fase - il che significa che i loro picchi e valli si allineano perfettamente - e avere lo stesso periodo.
Interferenza distruttiva

Per interferenza distruttiva
, lo spostamento del mezzo per un'onda è nella direzione opposta a quella dell'altra onda. L'ampiezza dell'onda risultante sarà inferiore a quella dell'onda con l'ampiezza maggiore.

Per una perfetta interferenza distruttiva, in cui le onde si annullano a vicenda per creare ampiezza zero, le onde devono essere esattamente sfasate - significa che il picco di una si allinea perfettamente con la valle dell'altra - e hanno lo stesso periodo e
ampiezza. (Se le ampiezze non sono uguali, le onde non si annulleranno esattamente a zero.)

Nota che l'interferenza distruttiva non ferma l'onda; porta solo a zero la sua ampiezza in quel particolare posto. L'interferenza è ciò che accade quando le onde si incrociano - una volta che le onde non interagiscono più, ritornano alle loro ampiezze originali.
Onde riflettenti

Le onde possono riflettersi dalle superfici e dai punti fissi ovunque il mezzo stanno viaggiando attraverso le modifiche su un mezzo diverso.

Se una corda è fissata su un lato, qualsiasi onda che percorre la corda che colpisce quel punto fisso si rifletterà al di fuori di essa "sottosopra" o come versione inversa dell'onda originale. Se una corda è libera su un lato, qualsiasi onda che percorre la corda che colpisce l'estremità si rifletterà da essa con il lato destro rivolto verso l'alto. Se una stringa è legata a un'altra stringa di diversa densità, quando un'onda colpisce quella parte di connessione si rifletterà (come se la fine della stringa fosse fissa) e parte di essa continuerà.

Quando un l'onda nell'acqua o nell'aria colpisce una superficie, si rifletterà fuori da quella superficie con lo stesso angolo che ha colpito. Questo è chiamato angolo dell'incidente.

Le onde riflesse possono spesso interferire con se stesse e, in circostanze speciali, possono creare un tipo speciale di onda nota come onda stazionaria.
Onde stazionarie

Immagina una stringa con una o entrambe le estremità fissate. Un'onda che viaggia su questa corda che colpisce un'estremità fissa si rifletterà su quella estremità, viaggiando nella direzione opposta e interferirà con l'onda originale che l'ha creata.

Questa interferenza non è necessariamente perfettamente costruttiva o distruttiva a meno che la lunghezza della stringa è un multiplo della metà della lunghezza d'onda dell'onda.

[immagine delle frequenze stazionarie fondamentali /armoniche]

Questo crea un modello d'onda stazionaria: onde originali in uscita che interferiscono con le onde riflesse mentre muoversi in direzioni opposte. Le onde che vanno in direzioni opposte interferiscono l'una con l'altra in modo tale da non sembrare più in movimento; invece, sembra che le sezioni della stringa si muovano semplicemente su e giù in posizione. Ciò si verifica, ad esempio, nelle corde di chitarra quando vengono pizzicate.

I punti sulla corda che appaiono fissi sono chiamati nodi
. A metà strada tra ogni coppia di nodi c'è un punto sulla stringa che raggiunge la massima ampiezza; questi punti sono chiamati antinodi
.

La frequenza fondamentale
, o prima armonica
, di una stringa si verifica quando la lunghezza della stringa è metà della lunghezza d'onda dell'onda. L'onda stazionaria appare quindi come un picco a onda singola che vibra su e giù; ha un antinodo e un nodo su ciascuna estremità della stringa.

L'onda stazionaria con lunghezza della stringa uguale alla lunghezza d'onda dell'onda è chiamata seconda armonica; ha due antinodi e tre nodi, dove due nodi sono alle estremità e un nodo è al centro. Le armoniche sono molto importanti per il modo in cui gli strumenti musicali creano musica.
Esempi di Wave Interference

Le cuffie con cancellazione del rumore funzionano secondo il principio dell'interferenza distruttiva delle onde sonore. Un microfono sulle cuffie rileva qualsiasi rumore di basso livello intorno a te, quindi le cuffie emettono onde sonore nelle orecchie che interferiscono in modo distruttivo con il rumore ambientale. Questo annulla completamente il rumore ambientale, permettendoti di ascoltare la tua musica e podcast molto più chiaramente in un ambiente rumoroso.

I silenziatori sulle auto funzionano in modo simile, sebbene in modo più meccanico. Le dimensioni delle camere in una marmitta sono progettate con precisione in modo tale che una volta che il rumore del motore entra nella marmitta, interferisce in modo distruttivo con il proprio rumore riflesso, rendendo l'auto più silenziosa.

Anche la luce a microonde emessa dal forno a microonde si sente interferenze. Ci sono posizioni all'interno del tuo forno a microonde in cui le onde luminose emesse all'interno del forno interferiscono in modo costruttivo e distruttivo, riscaldando il cibo più o meno. Ecco perché la maggior parte dei forni a microonde ha una piastra rotante all'interno: per evitare che il cibo venga completamente congelato in alcuni punti e bollito in altri. (Non è una soluzione perfetta, ma è meglio del cibo che resta fermo!)

L'interferenza delle onde è una considerazione molto importante quando si progettano sale da concerto e auditorium. Queste stanze possono avere "punti morti", in cui il suono del palcoscenico, riflesso dalle superfici della stanza, interferisce in modo distruttivo in un determinato punto del pubblico. Ciò può essere prevenuto attraverso l'attenta collocazione di materiali fonoassorbenti e riflettenti nelle pareti e nel soffitto. Alcune sale da concerto avranno altoparlanti rivolti in questi punti per consentire ai membri del pubblico seduti lì di ascoltare ancora correttamente.
Schemi di interferenza delle onde elettromagnetiche

Proprio come con altre onde, le onde luminose possono interferire tra loro e può diffrarre o piegare attorno a una barriera o apertura. Un'onda si diffonde di più quando l'apertura ha dimensioni più vicine alla lunghezza d'onda dell'onda. Questa diffrazione provoca un modello di interferenza: regioni in cui le onde si sommano e regioni in cui le onde si annullano a vicenda.

Prendiamo l'esempio della luce che attraversa una singola fessura orizzontale. Se immagini una linea retta dal centro della fessura al muro, dove quella linea colpisce il muro dovrebbe essere un punto luminoso di interferenza costruttiva.

Possiamo modellare la luce che passa attraverso la fessura come una linea di fonti multiple di punti che si irradiano verso l'esterno. La luce proveniente da fonti a sinistra e a destra della fessura avrà percorso la stessa distanza per raggiungere questo particolare punto sul muro, e quindi sarà in fase e interferirà in modo costruttivo. Anche il punto successivo a sinistra e il punto successivo a destra interferiranno in modo costruttivo, e così via, creando un massimo luminoso al centro.

Il primo punto in cui si verificheranno interferenze distruttive può essere determinato come segue: Immagina la luce proveniente dal punto all'estremità sinistra della fessura (punto A) e un punto proveniente dal centro (punto B). Se la differenza di percorso da ciascuna di quelle sorgenti al muro differisce di 1 /2λ, 3 /2λ e così via, interferiranno in modo distruttivo.

Se prendiamo il punto successivo a sinistra e il successivo punto a destra del centro, la differenza di lunghezza del percorso tra questi due punti sorgente e i primi due sarebbe approssimativamente la stessa, e quindi interferirebbero anche in modo distruttivo.

Questo schema si ripete per tutte le restanti coppie di punti , il che significa che se la luce proveniente dal punto A e dal punto B interferisce in un determinato punto del muro, allora tutta la luce che passa attraverso la fessura subisce interferenze nello stesso punto.

Un modello di diffrazione leggermente diverso può anche essere ottenuto facendo passare la luce attraverso due piccole fenditure separate dalla distanza a in un esperimento a doppia fenditura. Qui vediamo un'interferenza costruttiva (punti luminosi) sul muro ogni volta che la differenza di lunghezza del percorso tra la luce proveniente dalle due fenditure è un multiplo della lunghezza d'onda λ.
Che cos'è un interferometro?

Gli scienziati usano l'interferenza dell'onda ogni giorno per fare scoperte entusiasmanti, usando interferometri. Un interferometro è uno strumento scientifico che utilizza l'interferenza delle onde luminose per effettuare misurazioni ed eseguire esperimenti.

Un interferometro di base rileva un raggio laser e lo divide in due raggi. Un raggio farà cose molto diverse o farà cose diverse, a seconda della domanda a cui gli scienziati stanno cercando di rispondere. I raggi verranno quindi ricombinati, ma le diverse esperienze vissute li avranno cambiati. Gli scienziati possono esaminare l'interferenza dei due raggi laser ora diversi per indagare su questioni scientifiche, come la natura delle onde gravitazionali.

L'Osservatorio sulle onde gravitazionali (LIGO) è un interferometro gigante che invia la sua divisione raggi laser a 2,5 miglia (4 km) di distanza e ritorno.

I raggi divisi sono ad angolo retto, quindi se un'onda gravitazionale passa attraverso l'interferometro, influenzerà ogni raggio in modo diverso. Ciò significa che interferiranno l'uno con l'altro quando vengono ricombinati, e il modello di interferenza dice ai fisici cosa ha causato le onde gravitazionali. È così che LIGO ha rilevato le onde gravitazionali da buchi neri che si infrangono insieme, una scoperta che ha vinto il Premio Nobel nel 2017.