Interferencia y difracción

Los audífonos con cancelación de ruido producen un segundo sonido exactamente opuesto al ruido, y al sumarse ambos el resultado es casi silencio.

Las ondas se suman

Dos pelotas lanzadas una contra otra rebotan. Dos ondas que se encuentran hacen algo distinto: se atraviesan y, mientras coinciden, sus perturbaciones simplemente se suman. OpenStax llama a esto superposición. Si dos ondas idénticas llegan en fase, cresta sobre cresta y valle sobre valle, el resultado tiene el doble de amplitud. Es una interferencia constructiva pura. Si llegan exactamente en oposición de fase, cresta sobre valle, se cancelan y la amplitud es cero. Es una interferencia destructiva pura. La mayoría de las veces el resultado es intermedio y cambia de un lugar a otro.

Te encuentras con interferencias a menudo sin notarlo. Un equipo de sonido puede oírse fuerte en un punto de una habitación y apagado en otro, porque el sonido de dos altavoces y el reflejado en las paredes se suma de forma parcialmente constructiva en algunos lugares y destructiva en otros. Los audífonos con cancelación de ruido captan el ruido entrante y reproducen una onda con sus crestas y valles invertidos. OpenStax señala que la cancelación completa solo funciona en las condiciones más simples, pero así se puede reducir el ruido en 30 dB o más.

Dos fuentes y la diferencia de caminos

Coloca dos fuentes una junto a otra que vibren al mismo ritmo y con igual longitud de onda, como dos dedos que golpean a la vez la superficie de un estanque. En cualquier punto, las ondas de ambas fuentes han recorrido distancias distintas. Lo importante es la diferencia de caminos Δr. Si Δr es un número entero de longitudes de onda (0, λ, 2λ, …), las ondas llegan en fase y se suman. Si Δr es un número semientero de longitudes de onda (½λ, 1½λ, …), una cresta coincide con un valle y se cancelan. Los puntos de mínima agitación forman líneas curvas que se abren en abanico desde el espacio entre las fuentes, con franjas de mayor agitación entre ellas.

Young y la naturaleza ondulatoria de la luz

En palabras de OpenStax, la interferencia es el sello distintivo de las ondas: una forma de demostrar que algo es una onda es observar su interferencia. En el caso de la luz, Thomas Young resolvió la cuestión en 1801 al hacerla pasar por dos rendijas estrechas muy próximas. Cada rendija actuó como una fuente y, en vez de dos líneas brillantes, la pantalla mostró una sucesión de franjas claras y oscuras. Las franjas claras aparecen en las direcciones donde d sin θ = mλ, con d como separación entre rendijas y m como número entero. En el ejemplo de OpenStax, dos rendijas separadas 0.0100 mm y una tercera franja clara a 10.95° dan λ = 633 nm, la luz roja de un láser de helio y neón.

Difracción: las ondas se abren al atravesar huecos

Cuando una onda atraviesa una abertura o rodea un borde, se extiende hacia la región posterior; este efecto se llama difracción. Cuánto se extiende depende del tamaño de la abertura en relación con la longitud de onda. Un hueco mucho más ancho que la longitud de onda deja pasar la onda como un haz, con una sombra bastante definida a cada lado. Un hueco de aproximadamente una longitud de onda la abre en un abanico amplio. Por eso oyes sonidos al otro lado de una puerta (longitudes de onda de alrededor de un metro), pero no puedes ver lo que hay tras su borde (las longitudes de onda de la luz son menores que una millonésima de metro). OpenStax da un ejemplo de radio: las ondas largas de AM pasan por encima y alrededor de edificios y colinas, mientras que la recepción de FM y televisión es mejor con una línea de visión despejada.

Pulsaciones

Dos sonidos con frecuencias ligeramente distintas entran y salen de fase. Por un momento sus crestas coinciden y el sonido es fuerte; poco después, una cresta coincide con un valle y el sonido se debilita. El resultado es un solo tono de frecuencia media que aumenta y disminuye de intensidad, una variación de intensidad conocida como pulsaciones. OpenStax muestra que la frecuencia de las pulsaciones es la diferencia entre las dos: f_B = |f₁ − f₂|. Los afinadores de piano aprovechan esto. Si un diapasón de 256 Hz y una cuerda producen 2 pulsaciones por segundo, la cuerda está a 254 Hz o 258 Hz, y se ajusta hasta que las pulsaciones desaparecen.