Interferência e difração

Fones com cancelamento de ruído produzem um segundo som, exatamente oposto ao ruído. Somados, os dois chegam perto do silêncio.

As ondas se somam

Duas bolas lançadas uma contra a outra se chocam e rebatem. Duas ondas fazem algo diferente: atravessam uma à outra e, enquanto se sobrepõem, suas perturbações simplesmente se somam. A OpenStax chama isso de superposição. Se duas ondas idênticas chegam em fase, crista sobre crista e vale sobre vale, o resultado tem o dobro da amplitude. É a interferência puramente construtiva. Se chegam exatamente em oposição de fase, crista sobre vale, elas se cancelam e a amplitude é zero. É a interferência puramente destrutiva. Na maioria das vezes, o resultado fica entre esses extremos e varia de um lugar para outro.

Você encontra interferência com frequência, mesmo sem perceber. Um aparelho de som pode soar forte em um ponto da sala e fraco em outro. Isso acontece porque os sons vindos dos dois alto-falantes e das paredes se somam de modo parcialmente construtivo em alguns lugares e parcialmente destrutivo em outros. Fones com cancelamento de ruído captam o ruído que chega e reproduzem uma onda com suas variações invertidas. A OpenStax observa que o cancelamento completo só funciona nas condições mais simples, mas assim é possível reduzir o ruído em 30 dB ou mais.

Duas fontes e a diferença de percurso

Coloque duas fontes lado a lado, vibrando em fase e com o mesmo comprimento de onda, como dois dedos tocando juntos a superfície de uma lagoa. Em um ponto qualquer, as ondas das duas fontes percorreram distâncias diferentes. O que importa é a diferença de percurso Δr. Se Δr é um múltiplo inteiro do comprimento de onda (0, λ, 2λ, …), as ondas chegam em fase e se somam. Se corresponde a um número inteiro mais meio comprimento de onda (½λ, 1½λ, …), crista encontra vale e elas se cancelam. Os pontos de menor oscilação se alinham em curvas que se abrem entre as fontes, intercaladas com faixas de oscilação intensa.

Young e a natureza ondulatória da luz

Nas palavras da OpenStax, a interferência é a marca das ondas: uma maneira de provar que algo é uma onda é observar sua interferência. Para a luz, Thomas Young demonstrou isso em 1801, fazendo-a passar por duas fendas estreitas e próximas. Cada fenda atuava como uma fonte e, em vez de duas linhas claras, a tela mostrou uma sequência de faixas claras e escuras. As faixas claras aparecem nas direções em que d sin θ = mλ, sendo d a distância entre as fendas e m um inteiro. No exemplo da OpenStax, fendas separadas por 0.0100 mm e uma terceira faixa clara a 10.95° dão λ = 633 nm, a luz vermelha de um laser de hélio-neônio.

Difração: ondas que se espalham por aberturas

Quando uma onda passa por uma abertura ou contorna uma borda, ela se espalha pela região atrás do obstáculo. Esse efeito se chama difração. O espalhamento depende do tamanho da abertura em relação ao comprimento de onda. Uma abertura muito maior que o comprimento de onda deixa a onda passar como um feixe, com sombra relativamente bem definida dos dois lados. Uma abertura com largura próxima de um comprimento de onda espalha a onda em um leque amplo. É por isso que você ouve sons contornando uma porta (comprimentos de onda próximos de um metro), mas não enxerga por trás dela (os comprimentos de onda da luz são menores que um milionésimo de metro). A OpenStax dá o exemplo do rádio: as longas ondas AM passam por cima e ao redor de prédios e morros, enquanto a recepção de FM e TV é melhor quando não há obstáculos na linha de visada.

Batimentos

Dois sons com frequências ligeiramente diferentes entram e saem de fase. Por um instante, as cristas se alinham e o som fica forte; pouco depois, crista encontra vale e o som enfraquece. O resultado é um único tom na frequência média, cuja intensidade aumenta e diminui. Essa oscilação é chamada de batimento. A OpenStax mostra que a frequência dos batimentos é a diferença entre as duas frequências: f_B = |f₁ − f₂|. Afinadores de piano usam esse efeito. Se um diapasão de 256 Hz e uma corda produzem 2 batimentos por segundo, a corda está em 254 Hz ou 258 Hz. O afinador a ajusta até os batimentos pararem.