¿Por qué puedes oír el sonido sobre una pared?

Por el bien de este argumento, imagina una barrera infinitamente delgada (o una barrera gruesa con una esquina muy afilada, si lo prefieres). Piense en una molécula justo en el borde de la barrera pero sin tocarla. Se acerca una onda sonora. Lo que esto significa es que la molécula vecina más cercana detrás de él se está acercando. Puede golpear directamente y acelerar la primera molécula hacia adelante. Pero la molécula vecina podría estar alineada fuera del centro, de modo que golpee a la primera molécula y la acelere en alguna otra dirección. Ese es el núcleo de una onda que se propaga en una nueva dirección. Imagina que hay$10^{23}$moléculas en el sistema... terminarás con difracción.

No me queda muy claro lo que está preguntando, pero me referiría a simulaciones como en PhET: Wave Interference .

Allí puede cambiar entre ondas de sonido, ondas de superficie en el agua (tanque de ondas) u ondas de luz.

Hay dos cosas importantes a tener en cuenta:

• La longitud de onda de las ondas sonoras es del orden de 1 metro, comparable a la altura de las paredes.
• Experimentamos el nivel de sonido como una medida logarítmica de la intensidad y, por ejemplo, incluso una reducción de diez veces en la potencia reduce el nivel de sonido en solo 10 dB, por ejemplo, de 60 dB a 50 dB.

Si la propagación de las ondas de sonido y las ondas de luz se rigen exactamente por la misma ecuación de onda:

Hay dos razones principales, la más importante de las cuales ya señaló Pieter: la longitud de onda de las ondas sonoras es un millón de veces mayor. El sonido en el rango auditivo humano se difracta alrededor de una pared de 10 m de la misma manera que la luz que podemos ver se difracta alrededor de una "pared" con una altura de 0,01 mm. (La velocidad también es diferente por un factor de aproximadamente un millón, pero eso no cambia las características espaciales de cómo se comportan las ondas a medida que viajan desde la fuente hasta usted, solo el tiempo que toma ese viaje).

La otra razón, más sutil, es que procesamos las señales auditivas y visuales de manera muy diferente.

Todo lo que realmente le importa a su cerebro acerca de las señales de presión que llegan a sus oídos es el espectro, la cantidad de energía en cada frecuencia. Entonces, la señal puede difractarse (o rebotar en superficies irregulares o lo que sea) sin afectar su capacidad para extraer información de ella. (Dicho sea de paso, en muchos casos la dispersión es más importante que la difracción; cuando escuchas una voz desde la otra habitación, gran parte de esa energía sonora te llega al rebotar en una o dos paredes).

Sus ojos, por otro lado, no se preocupan por el espectro, el color es solo una especie de promedio de todas las frecuencias constituyentes, pero necesitan rayos de luz que se originen en varias posiciones en algún objeto que le gustaría ver. viajando predeciblemente a lo largo de las líneas desde esas posiciones. De lo contrario, no se forma ninguna imagen del objeto. La difracción (o rebotes en superficies ásperas) estropea esto; Incluso si la luz sigue entrando en tu ojo, la imagen que se habría formado en tu retina por los rayos que viajan directamente desde la fuente ahora está codificada, lo que hace imposible que tu cerebro extraiga de la luz la información que habría obtenido de esa imagen. .

Si puede seguir esta lógica, debería tener una idea de lo que sucede...

Las olas que no están confinadas físicamente tienen tendencia a expandirse.

Imagine usar un palo para agitar el agua en un tanque: hará ondas que viajan hacia afuera en un círculo, extendiéndose sobre un área cada vez mayor.

Si el tanque es un canal largo, tal vez un pie de ancho y digamos veinte pies de largo, cuando las olas intentan expandirse, se ven restringidas por las paredes, por lo que su movimiento se dirige a lo largo del canal.

Ahora imagina que el canal desemboca en un estanque en el otro extremo. Cuando las olas llegan allí, ya no están constreñidas por las paredes, por lo que se abren nuevamente.

Entonces, volviendo a tu pregunta, cuando algo hace un sonido al otro lado de la pared, las ondas de sonido intentan propagarse en todas las direcciones. El sonido que lo hace sobre la pared es como la ola de agua que sale del canal: se extiende más allá de la pared.

Cuando considera el efecto con más detalle, puede mostrar (no intentaré hacerlo aquí) que la extensión de la propagación cuando la ola sale del canal hacia el estanque depende del ancho de la abertura al final de la misma. el canal comparado con la longitud de onda de la onda. Cuando los dos son casi iguales, la dispersión es mayor. Eso explica por qué los sonidos audibles típicos (que tienen longitudes de onda de unos pocos metros hasta unos pocos centímetros) se propagan alrededor de los obstáculos y huecos cotidianos.

Se puede obtener una imagen intuitiva utilizando la construcción de Huygen. Aunque no es un método cuantitativo, es muy útil para la intuición. Dice que cada punto en un frente de onda actúa como un disparador para un frente de onda esférico secundario que emana de él. La superposición de estos frentes de onda secundarios da como resultado que todo el frente de onda avance, y así sucesivamente. Con esta imagen de la propagación de la onda, imagine lo que sucede si una sección del frente de onda queda oculta por una pared: los frentes de onda esféricos secundarios justo en el borde simplemente irradian hacia la región de sombra geométrica. Eso es difracción. Es simplemente una consecuencia de la tendencia de las olas a expandirse.

De hecho, una versión matemáticamente rigurosa de este argumento es precisamente la aproximación de Kirchhoff . Aunque sigue siendo una aproximación. No existe una imagen geométrica verdaderamente rigurosa de la difracción, que se derive directamente de la ecuación de onda sin ningún postulado adicional. Entonces, según nuestra comprensión actual de la física de ondas, esto es probablemente lo más lejos que puede llegar antes de obtener la respuesta "resolver la ecuación de ondas".