Interferenza e diffrazione

Le cuffie con cancellazione del rumore producono un secondo suono esattamente opposto al rumore: sommandosi, i due danno quasi silenzio.

Le onde si sommano

Due palle lanciate l'una contro l'altra rimbalzano. Due onde che si incontrano fanno qualcosa di diverso: si attraversano, e durante la sovrapposizione le perturbazioni si sommano. OpenStax chiama questo fenomeno sovrapposizione. Se due onde identiche arrivano in fase, cresta su cresta e ventre su ventre, l'ampiezza risultante è doppia. È interferenza costruttiva pura. Se arrivano esattamente in opposizione di fase, cresta su ventre, si annullano e l'ampiezza è zero. È interferenza distruttiva pura. Di solito il risultato è intermedio e varia da un punto all'altro.

Incontri spesso l'interferenza senza accorgertene. Uno stereo può avere un suono forte in un punto della stanza e debole in un altro: i suoni provenienti dai due altoparlanti e dalle pareti si sommano in parte costruttivamente in alcuni punti e in parte distruttivamente in altri. Le cuffie con cancellazione del rumore rilevano il rumore in arrivo e riproducono un'onda con massimi e minimi invertiti. OpenStax osserva che l'annullamento completo funziona soltanto nelle condizioni più semplici, ma in questo modo il rumore può essere ridotto di 30 dB o più.

Due sorgenti e differenza di cammino

Disponi affiancate due sorgenti che vibrano in fase con la stessa lunghezza d'onda, come due dita che toccano insieme la superficie di uno stagno. In ogni punto, le onde provenienti dalle due sorgenti hanno percorso distanze diverse. Conta la differenza di cammino Δr. Se Δr è un numero intero di lunghezze d'onda (0, λ, 2λ, …), le onde arrivano in fase e si sommano. Se Δr è un numero intero più mezza lunghezza d'onda (½λ, 1½λ, …), una cresta incontra un ventre e le onde si annullano. I punti di quiete formano linee curve che si aprono a ventaglio dalla zona tra le sorgenti, alternate a fasce di forte oscillazione.

Young e la natura ondulatoria della luce

Secondo OpenStax, l'interferenza è il tratto distintivo delle onde: un modo per dimostrare che qualcosa è un'onda è osservarne l'interferenza. Per la luce la questione fu risolta nel 1801 da Thomas Young, che fece passare la luce attraverso due fenditure strette e vicine. Ogni fenditura si comportava come una sorgente e, invece di due linee luminose, sullo schermo apparve una serie di bande chiare e scure. Le bande chiare si trovano nelle direzioni per cui d sin θ = mλ, dove d è la distanza tra le fenditure e m un numero intero. Nell'esempio di OpenStax, fenditure distanti 0.0100 mm e una terza banda chiara a 10.95° danno λ = 633 nm, la luce rossa di un laser a elio-neon.

Diffrazione: onde che si allargano dopo un'apertura

Quando un'onda attraversa un'apertura o aggira un bordo, si allarga nella regione retrostante: è la diffrazione. L'allargamento dipende dalle dimensioni dell'apertura rispetto alla lunghezza d'onda. Un'apertura molto più larga della lunghezza d'onda lascia passare l'onda come un fascio, con un'ombra piuttosto netta ai lati. Un'apertura larga circa una lunghezza d'onda allarga l'onda in un ampio ventaglio. Ecco perché puoi sentire un suono oltre una porta (lunghezze d'onda intorno al metro), ma non puoi vedere oltre l'angolo (le lunghezze d'onda della luce sono inferiori a un milionesimo di metro). OpenStax fa un esempio radiofonico: le lunghe onde AM superano e aggirano edifici e colline, mentre per FM e TV la ricezione è migliore se il percorso è libero da ostacoli.

Battimenti

Due suoni con frequenze leggermente diverse si sfasano e poi tornano in fase. Per un istante le creste coincidono e il suono è forte; poco dopo una cresta incontra un ventre e il suono si attenua. Il risultato è un unico suono alla frequenza media, la cui intensità aumenta e diminuisce periodicamente: sono i battimenti. OpenStax mostra che la frequenza dei battimenti è la differenza tra le due frequenze: f_B = |f₁ − f₂|. Gli accordatori di pianoforte sfruttano questo fenomeno. Se un diapason di 256 Hz e una corda producono 2 battimenti al secondo, la corda ha una frequenza di 254 Hz oppure di 258 Hz: l'accordatore la regola finché i battimenti scompaiono.