To ciekawe

Kiedy słuchasz muzyki organów elektrycznych z dwóch głośników na otwartej przestrzeni, możesz zauważyć ciekawy efekt: niewielkie przemieszczenie się słuchacza może spowodować, że tony brzmią nieco inaczej – niektóre cichną, inne stają się głośniejsze lub zmieniają barwę. Efekt ten staje się wyraźniejszy, gdy obserwujesz go zatykając jedno ucho (bo wtedy skupiasz się na słuchaniu dźwięku tylko w jednym punkcie). Pokazuje to, że kiedy dźwięki wytwarzane są przez więcej niż jedno źródło, ich głośności nie dodają się „po prostu”, ale tworzą w przestrzeni dość skomplikowany wzór zgłośnień i wyciszeń. Podobny obraz wzmocnień i osłabień można zaobserwować również dla innego rodzaju fal harmonicznych – czy to na powierzchni wody, czy to fal świetlnych – wytwarzanych przez dwa identyczne źródła. Jest to wynikiem interferencji fal.

Warto przeczytać

Omówimy teraz, jaka fala powstaje na skutek interferencjiinterferencja falinterferencji dwóch fal wysyłanych przez dwa identyczne źródła znajdujące się w różnych miejscach. Nakładanie się fal harmonicznychfala harmonicznafal harmonicznych o tej samej częstotliwości i tej samej długości fali – czyli superpozycję takich fal – nazywamy interferencją fal. Rys. 1. przedstawia interferencję dwóch takich „prawdziwych” fal na powierzchni wody. Rys. 2. pokazuje „w perspektywie” dwie kołowe harmoniczne fale składowe i wynik ich interferencji.

R14W1fGiY5jSJ

Rys. 1. Na ilustracji pokazany jest widok z góry na powierzchnię wody. Punktowe źródła fal kolistych, rozchodzących się po powierzchni wody, znajdują się obok siebie na górze ilustracji. Każde ze źródeł emituje fale, których grzbiety widoczne są w postaci szarych, współśrodkowych okręgów Między tymi okręgami widoczne są jasne okręgi, które są dolinami fal. Fale pochodzące od obu źródeł nakładają się na siebie, co skutkuje powstawaniem jasnych i ciemnych rozszerzających się pasów ułożonych na przemian i rozchodzących się promieniście od punktu leżącego pośrodku między źródłami fal. Ciemniejsze pasy, składające się z położonych na przemian szarych i jasnych łuków, są obszarami wzmocnienia fal. Jasne, jednorodne pasy to obszary wygaszenia fal.

R12h65Q8QyJbu

Rys. 2. Rysunek składa się z trzech części a, b i c. Każda z części to pokazany w perspektywie kwadrat, na którego powierzchni rozchodzi się fala pokazana trójwymiarowo. Na części a fala rozchodzi się ze źródła umieszczonego w lewym, górnym rogu kwadratu. Widoczne są wystające do góry grzbiety fal o kształcie współśrodkowych fragmentów okręgów o środku w źródle fali. Między grzbietami są zagłębienia w kształcie współśrodkowych fragmentów okręgów, zwane dolinami fali. Na części b obraz fali jest podobny z tym, że źródło fali jest w lewym, dolnym rogu kwadratu. Na części c pokazano fale wytwarzane przez dwa źródła, w lewym górnym i lewym dolnym rogu kwadratu, które nakładają się na siebie. Widoczne są pasma wzmocnień fali rozchodzące się promieniście ze środka lewego boku kwadratu, na których są wyraźnie widoczne grzbiety i doliny fali. Między nimi widać pasma wygaszenia fali, których powierzchnia jest płaska.

Przyjrzyj się Rys. 1. i Rys. 2.

• Widzisz na nich charakterystyczne rozszerzające się pasma fal o dużej amplitudzieamplituda faliamplitudzie. W tych obszarach fale z obu źródeł się wzmacniają.

• Pomiędzy nimi są pasma, w których fala ma amplitudę bardzo małą. W tych obszarach fale się wygaszają.

Wyjaśnienie zjawiska

Wzmocnienie fal dla jednego wybranego kierunku wyjaśnia Rys. 3. Przyjmijmy, że obszary ciemne odpowiadają wychyleniu w górę z Rys. 2., teraz przed ekran, a obszary jasne – wychyleniu w dół, czyli za ekran.

R13gHiacSDbB7

Rys. 3. Rysunek składa się z dwóch obrazów. Lewy obraz to ilustracja składająca się z dwóch części przedzielonych czerwoną, ukośną linią skierowaną w prawo i w dół. Każda z części pokazuje falę rozchodzącą się niezależnie od siebie. Źródła fal znajdują się u góry ilustracji. Na lewo od czerwonej linii grzbiety fal widoczne są jako zielone fragmenty okręgów, a między nimi doliny fal widoczne jako jaśniejsze fragmenty okręgów. Na prawo od czerwonej linii grzbiety fal to niebieskie fragmenty okręgów, a między nimi doliny fal widoczne jako jasne fragmenty okręgów. Na czerwonej linii zielone i niebieskie grzbiety fal spotykają się. Podobnie spotykają się jasne doliny z lewej i prawej części obrazka. Prawy obraz pokazuje wynik nałożenia się fal z lewego obrazu. Narysowano czerwoną linię w tym samym położeniu co na lewym obrazie. Wzdłuż tej linii widoczne są ciemnoniebieskie grzbiety ułożone na przemian z jasnymi dolinami fali, czyli obszar wzmocnienia. Grzbiety i doliny fali położone są prostopadle do czerwonej linii. Na lewo i na prawo od rozszerzającego się pasa wyznaczonego przez czerwoną linię, widać pasy pozbawione grzbietów i dolin fal, czyli obszary wygaszenia.

Lewy obraz składa się z dwóch części: po jednej stronie na zielono jest przedstawiona fala kolista, jaka rozchodziłaby się tylko z jednego źródła, w nieobecności drugiego, po drugiej stronie na fioletowo fala, która rozchodziłaby się z drugiego źródła, gdyby nie było pierwszego. Można powiedzieć, że są to wycięte pod odpowiednim kątem fragmenty obrazów na Rys. 2a. i Rys. 2b. i położone obok siebie. Prawy obraz (na niebiesko) przedstawia wynik interferencji obu fal rozchodzących się jednocześnie w całym ośrodku (podobnie do Rys. 2c.). Rozważane fale się wzmacniają. Spotykają się w fazachfaza falifazach zgodnych: maksima fali lewej z maksimami fali prawej, a minima z minimami.

RzFsTnZKJW7hn

Rys. 4. Rysunek składa się z dwóch obrazów. Lewy obraz to ilustracja składająca się z dwóch części przedzielonych czerwoną, ukośną linią skierowaną w prawo i w dół. Każda z części pokazuje falę rozchodzącą się niezależnie od siebie. Źródła fal znajdują się u góry ilustracji. Na lewo od czerwonej linii grzbiety fal widoczne są jako zielone fragmenty okręgów, a między nimi doliny fal widoczne jako jaśniejsze fragmenty okręgów. Na prawo od czerwonej linii grzbiety fal to niebieskie fragmenty okręgów, a między nimi doliny fal widoczne jako jasne fragmenty okręgów. Na czerwonej linii zielone grzbiety fal po lewej stronie spotykają się z jasnymi dolinami fal po prawej stronie. Podobnie jasne doliny z lewej strony spotykają się z niebieskimi grzbietami z prawej strony linii. Prawy obraz pokazuje wynik nałożenia się fal z lewego obrazu. Narysowano czerwoną linię w tym samym położeniu co na lewym obrazie. Wzdłuż tej linii występuje pas pozbawiony grzbietów i dolin fal, czyli obszar wygaszenia. Na lewo i na prawo od pasa wyznaczonego przez czerwoną linię widoczne są pasy, składające się z grzbietów i dolin fali położonych prostopadle do czerwonej linii, czyli obszary wzmocnienia.

Gdyby rozciąć obrazy z Rys. 2a. i Rys. 2b. pod innym kątem, wcale nie spotkałyby się na ich sklejeniu wychylenia zgodne, ale właśnie przeciwne: maksima jednej fali z minimami drugiej. Taką sytuację przedstawia lewy obraz na Rys. 4. Na prawym obrazie widać, że kąt ten wyznacza kierunek, w którym interferujące ze sobą fale ulegają wygaszeniu.

Doświadczenie

Spróbuj teraz samodzielnie zaobserwować linie wzmocnienia i wygaszenia fal dźwiękowych. Będą Ci potrzebne do tego dwa głośniki podłączone do komputera i ustawione na stole w odległości około metra jeden od drugiego. Aby zamienić je w źródła fal harmonicznych, wpisz w wyszukiwarce przeglądarki internetowej hasło „generator akustyczny online” i z pomocą programu, który znajdziesz, wytwórz falę sinusoidalną o częstotliwości 1000 Hz. Możesz też wpisać w wyszukiwarce hasło „1000 Hz sound” i odtworzyć jeden ze znalezionych filmów. Jedna prośba: dbając o uszy sąsiadów, nie odtwarzaj tych dźwięków zbyt głośno, nie będzie to potrzebne.

RqJE4aXYWWMMs

Rys. 5. Z lewej strony rysunku znajdują się dwa małe kwadraty, symbolizujące głośniki. Kwadraty ustawione są jeden nad drugim. Z prawej strony narysowano symboliczną sylwetkę człowieka, a nad nim strzałkę skierowaną pionowo w górę, która wskazuje kierunek przemieszczania się eksperymentatora podczas wykonywania doświadczenia. Między głośnikami i człowiekiem narysowano grzbiety i doliny interferujących fal pochodzących z obu głośników. Grzbiety i doliny występują w pasach rozchodzących się promieniście z punktu między głośnikami. Między tymi pasami znajdują się pasy wygaszenia fali bez grzbietów i dolin.

Postaraj się wybrać do doświadczenia duży pokój, albo wyjdź do ogródka, jeśli masz taką możliwość – zmniejszysz w ten sposób efekt odbijania się fal od ścian pokoju.

Zatkaj teraz jedno ucho i przemieszczaj się tak, jak przedstawia to Rys. 5. Jeśli nie słyszysz wyraźnego efektu, zamiast używać ucha jako detektora, nagraj ten dźwięk za pomocą smartfona, a potem odtwórz, podobnie jak przedstawia to początek animacji.

Słowniczek