¿Pueden dos ondas interferir de frente?

¿Pueden dos ondas (como el sonido o las ondas electromagnéticas) interferir de frente? Si es así, y supongamos que están fuera de fase entre sí y por lo tanto interfieren destructivamente, ¿a dónde va la energía de las ondas?

Sí, pero es solo temporal, las olas vuelven a emerger después de la colisión como si acabaran de cruzarse. 2 ondas de agua (una arriba y otra abajo) muestran una superficie de línea plana cuando se encuentran, la energía se almacena en la elasticidad del agua temporalmente.
@PhysicsDave ¿Es el agua tan elástica?
El agua es unas 80 veces más comprimible que el acero, el golpe de ariete es otro fenómeno de la elasticidad del agua.
@PhysicsDave Cierto... pero no veo cómo eso significa que cuando las ondas interfieren destructivamente significa que la energía se almacena en la elasticidad del agua.
El movimiento ondulatorio es un tema muy complejo y la elasticidad del medio es un requisito fundamental para las ondas en la materia. En la interferencia total, la energía cinética es cero y se convierte completamente en energía potencial, de la cual la única forma posible es el potencial elástico.
@PhysicsDave ¿Tiene alguna referencia? No estoy seguro de comprarlo.
Otro enfoque; en el gif de LucasVB a continuación, tenemos una onda que viaja hacia la derecha desde la energía creada en el lado derecho y tenemos una onda que viaja hacia la izquierda desde la energía creada en el lado izquierdo, pero tenemos puntos de velocidad cero en el patrón (puntos rojos). ¿Cómo viaja la energía a través de estos puntos cuando hay velocidad cero? Debe ser potencial. Es decir, si fuera un observador en medio de un estanque en un punto nulo (con las anteojeras puestas) durante, digamos, 10 pulsos de onda que se acercan desde 2 lados, no observaría nada, pero la energía ha pasado en ambas direcciones a través del punto donde no observó nada. !
Hay muchas referencias a la acción de las olas debido a la elasticidad en google o wikipedia: "Las ondas mecánicas solo se pueden producir en medios que poseen elasticidad e inercia".
@PhysicsDave No digo que la elasticidad no sea importante para las ondas. Simplemente no veo cómo la interferencia destructiva requiere almacenamiento de energía potencial. El gif no hay transferencia de energía neta en ninguna dirección. En cuanto a las referencias, quise decir una referencia que muestra cómo cuando las ondas interfieren destructivamente, esa energía se almacena temporalmente en la elasticidad del medio. Si quieres que vea tus comentarios por favor etiquétame.
@AaronStevens Para las ondas de luz (EM), sabemos que estas ondas se atraviesan entre sí como lo hacen las ondas de agua, y nunca tenemos una violación de la conservación de energía. Sin embargo, podríamos decir que un electrón en un átomo no se excitaría cuando se cruzara con 2 fotones de fase opuesta. Para las ondas de materia podemos tener una interferencia completa por un corto tiempo, toda la energía cinética es cero, aunque para las ondas estacionarias estoy de acuerdo en que hay un movimiento constante, pero en las ondas viajeras este no es el caso.
@PhysicsDave No creo que ese sea el caso de las ondas de materia. Por ejemplo, imagina que el gif muestra ondas en una cuerda. En los momentos en que la línea negra es completamente plana, esto no significa que no haya energía cinética. Cada parte de la cuerda que no está en un nodo todavía tiene una energía cinética.
@AaronStevens Buen punto, pero mientras lo pienso, incluso en el gif hay un punto de energía cinética cero cuando está en la amplitud máxima. En este punto (digamos cuerda de guitarra) la velocidad de la cuerda se invierte, es decir, pasa por 0 velocidad y en este punto toda la energía se almacena como tensión en la cuerda. Para las ondas estacionarias en el agua también tenemos potencial en la altura.
@PhysicsDave Entonces estás diciendo lo contrario de lo que decías antes
@AaronStevens Creo que también estoy diciendo lo contrario de lo que dijiste antes. Entonces, las ondas viajeras muestran inercia y elasticidad de manera diferente a las ondas estacionarias, pero ambas pueden almacenar el 100% de la energía de manera elástica cuando la energía cinética es cero. (y con el agua también tenemos un componente de energía potencial además del elástico).

Respuestas (5)

¿Pueden dos ondas (como el sonido o las ondas electromagnéticas) interferir de frente?

Sí. Cuando las ondas se suman en una superposición se llama interferencia. Dos ondas que se dirigen una hacia la otra tienen interferencia.

supongamos que están desfasados ​​entre sí y por lo tanto interfieren destructivamente, ¿a dónde va la energía de las ondas?

Depende de lo que entiendas por "interferir destructivamente". Si quiere decir que en algún momento la amplitud es 0 para todos los puntos en el espacio, entonces no hay problema. La ecuación de onda es una ecuación de segundo orden , por lo que la onda no solo está determinada por su amplitud. Un ejemplo simple se ve con ondas en una cuerda. Envía un pulso a la derecha y otro pulso opuesto a la izquierda en la cuerda. Cuando se encuentran, la amplitud de la superposición es 0 en todos los puntos de la cuerda para ese instante de tiempo. Pero las diversas partes de la cuerda todavía tienen una velocidad y, por lo tanto, los dos pulsos se moverán uno al lado del otro. No se pierde energía.

Si, en cambio, quiere decir que podemos tener dos ondas que se acerquen entre sí de modo que para todos los tiempos más grandes que un tiempo finito, la superposición sea 0 , entonces esto es imposible? Esto supone que tenemos dos ondas distintas de cero con algún tipo de localización en el espacio. Estas ondas eventualmente se moverán entre sí. Incluso si tuviera una fuente que oscilara continuamente, no podría cancelar todo. Por supuesto, su argumento de conservación de energía también es suficiente en mi opinión.

Sí, moviéndose uno al lado del otro así: commons.wikimedia.org/wiki/File:Standing_waves1.gif
Re. "todavía tienen una velocidad y, por lo tanto, los dos pulsos se moverán entre sí. No se pierde energía", durante el tiempo que el desplazamiento de la cuerda es cero, ¿dónde se almacena la energía, en el impulso?
@ user45664 Hay partes de la cadena todavía en movimiento. Ahí es donde está la energía. Mira la animación de Pieter.
@Aaron Stevens Estaba pensando en dos pulsos de polaridad opuesta en dos direcciones diferentes acercándose entre sí. ¿Dónde está la energía cuando se cruzan y por un instante el desplazamiento neto es cero?
@ user45664 Partes de la cuerda todavía tienen velocidades verticales ... 0 el desplazamiento no significa que todas las partes de la cuerda no se estén moviendo. Mire la línea negra en la animación de Pieter. El suyo es para una onda estacionaria, pero aún puede ver que esto sucede.
¿Qué sucederá si, en lugar de viajar en direcciones opuestas, las dos ondas desfasadas viajan en la misma dirección con la misma velocidad? ¿Es eso posible? ¿Es posible generar dos ondas continuas, viajando en la misma dirección con velocidades iguales pero desfasadas, que se superponen por completo?
@Visal si tienen la misma forma de onda periódica exacta, entonces solo puede hacer que se superpongan exactamente si están en fase.
@AaronStevens Cierto. En realidad, por 'superposición completa' quise decir que el ángulo entre los ejes (¿se llaman así en el caso de ondas 1-D?) De las dos ondas es cero (es decir, tienen el mismo eje)
Entonces, ¿es posible que dos de esas ondas, desfasadas, interfieran?
@Visal Sí. Cada vez que las ondas se "superponen" se llama interferencia. Esto es lo que dice la primera parte de mi respuesta.
No creo que sea capaz de hacer la pregunta claramente. En el caso de que las dos ondas viajen en direcciones opuestas, las dos ondas interfieren para producir una onda estacionaria. ¿Qué sucederá si las dos ondas (con la misma forma de onda periódica exacta), viajando en la misma dirección con la misma velocidad, interfieren destructivamente? ¿La amplitud de la onda resultante será cero en todo momento?
@Visal Sí. Imagina tener dos peines regulares. Mover los peines hacia la derecha es como una ola que viaja hacia la derecha. Ahora alinee los peines para que los dientes de uno coincidan con el espacio entre los dientes del otro peine. De esta forma ya no podrá ver a través de los peines (interferencia destructiva). Ahora mueva los peines a la derecha a la misma velocidad. Todavía no puedes ver a través de los peines. solo estas traduciendo 0 amplitud, que todavía te da 0 amplitud.
Si claro. Entonces significa, esencialmente, que no se transfiere energía por tal combinación de ondas. ¿Bien?
@Visal Sí, es correcto, aunque si puedo ver a dónde se dirige con esto, no creo que la conservación de energía esté en riesgo de ser violada aquí. No estoy seguro de cómo podrías crear dos ondas como esta con una fuente que proporciona una transferencia de energía neta.
Sí @AaronStevens. Es por eso que pregunté si es posible crear tales ondas.
@AaronStevens ¿Qué tal una hoja de material transparente que emite una onda mientras otra onda idéntica pasa a través de ella, de modo que las dos ondas se mueven en la misma dirección como los dos peines?

Dos ondas de la misma frecuencia y dirección opuesta de propagación producirán una onda estacionaria.

Como esta figura de LucasVB :ingrese la descripción de la imagen aquí

Editar: en una onda estacionaria, la energía oscila de un lado a otro entre diferentes formas. Para una onda mecánica (una onda transversal en una cuerda, por ejemplo), eso es energía potencial elástica y energía cinética. En los casos en que la cuerda está recta (energía potencial mínima), la energía cinética es máxima.

... en cuyo caso es importante remarcar que la energía no "va" a ninguna parte. Sin embargo, los detalles dependen del medio: (i) para el sonido, la energía no es el cuadrado de la función que se está trazando, mientras que (ii) para la luz, la densidad de energía eléctrica es el cuadrado de la línea negra, que fluctúa: - fuera de sincronización en el espacio y el tiempo de la densidad de energía magnética, por lo que la densidad de energía total permanece constante.

¿Por qué no? La superposición es la superposición. Las ondas estacionarias resultan de la interferencia de ondas de dirección de propagación opuesta.

Para las ondas de sonido y otras ondas que dependen del movimiento de los átomos y las moléculas, la interferencia destructiva eventualmente dispersará la energía hacia los átomos y las moléculas y finalmente terminará en calor (movimiento de la materia).

Para la luz, que no depende de un medio para propagarse, es más complicado. La luz solo se superpone, no interactúa. Este video del MIT muestra lo que sucede en la interferencia de superposición de un rayo láser dividido en dos y hecho para interferir. ¡La energía que no aparece en el patrón se remonta al mecanismo de reposo!

En general, para las ondas electromagnéticas, cuando se ven patrones de luz de interferencia, la energía va de las regiones oscuras a las regiones brillantes, es decir, es una función de al menos dos dimensiones espaciales, no los gráficos unidimensionales que suelen mostrar amplitudes que interfieren. En mi respuesta aquí a una pregunta casi duplicada, entro en más detalles. Tenga en cuenta que para ver la luz, tiene que interactuar con la materia, por lo que al final, la energía se destinará a calentar el material de la pantalla.

La interferencia destructiva no es dispersión de energía.
La interferencia destructiva total de @AaronStevens plantea el problema de la conservación de la energía. En la luz, que está compuesta de fotones, sí, interferencia total, ya que el video muestra las necesidades y la explicación de a dónde va la energía.
si, estoy de acuerdo con eso
El video vinculado por usted del MIT es tan obvio: “Este video del MIT es instructivo y un experimento real que muestra que en la interferencia destructiva establecida con interferómetros hay un haz de retorno, de regreso a la fuente, tan lejos como las ondas electromagnéticas clásicas. Así que la energía se equilibra volviendo a la fuente”. Qué ignorante podría ser alguien y rechazar la respuesta, que más hacer esto sin explicación.
El video del MIT no explica a dónde va la energía porque al configurar la fuerte interferencia, la cavidad del láser en realidad emite menos, es decir, un medidor de corriente en la fuente de alimentación mostraría una disminución. Es fácil recrear este tipo de interferencia con un diodo láser, por ejemplo, los espejos externos pueden alterar fácilmente la función de onda de la cavidad y reducir la emisión de láser.
@AaronStevens El video del MIT no explica a dónde va la energía porque al configurar la fuerte interferencia, la cavidad del láser en realidad tiene menos láser, es decir, un medidor de corriente en la fuente de alimentación mostraría una disminución. Es fácil recrear este tipo de interferencia con un diodo láser, por ejemplo, los espejos externos pueden alterar fácilmente la función de onda de la cavidad y reducir la emisión de láser.
@PhysicsDave Lo siento, mi comentario no fue sobre la luz o el video
@PhysicsDave, su explicación es solo otra forma de describir que un sistema láser es una entidad mecánica cuántica ... Y la mecánica cuántica tiene una conservación de energía inherente. Creo que la explicación del profesor es correcta.

Por supuesto, la respuesta de annav es correcta. Permítanme agregar algunas cosas, porque hay dos teorías básicas:

  1. en el experimento de la doble rendija, cuando interpretamos que el fotón (disparado uno a la vez) pasa a través de ambas rendijas como ondas parciales, esas ondas interfieren. Pueden interferir de forma constructiva (están en fase, crean un punto en la pantalla) o destructivamente (fuera de fase y sin punto en la pantalla). Por supuesto, la explicación aquí es que los fotones y las rendijas están entrelazados, por lo que la energía de los fotones que interfieren destructivamente, dará su energía a las rendijas a medida que se dispersan inelásticamente, o son absorbidas por las rendijas. La energía se conserva. Si interfieren constructivamente, la energía está en el punto de la pantalla. La energía todavía se conserva.

  2. Partículas virtuales y antipartículas, estas son, por supuesto, dúo a la dualidad onda-partícula que actúa como ondas también, y cuando en su caso interfieren de frente, se cancelan y la energía va a donde vino. Volvamos a la densidad de energía del vacío. Sí, los fotones son sus propias antipartículas. Cuando hablas de partículas elementales en el SM, las partículas pueden aniquilarse con sus propias antipartículas. Esto es lo que está preguntando, porque en este caso, cuando se crea la antipartícula de partículas, aparece y desaparece de la existencia. ¿De donde? De la densidad de energía del vacío (partículas virtuales).

La producción de pares es la creación de una partícula subatómica y su antipartícula a partir de un bosón neutro. Los ejemplos incluyen la creación de un electrón y un positrón, un muón y un antimuón, o un protón y un antiprotón. La producción de pares a menudo se refiere específicamente a un fotón que crea un par electrón-positrón cerca de un núcleo. Para que ocurra la producción de pares, la energía entrante de la interacción debe estar por encima de un umbral de al menos la energía total de la masa en reposo de las dos partículas, y la situación debe conservar tanto la energía como el impulso.

https://en.wikipedia.org/wiki/Pair_producción

En física de partículas, la aniquilación es el proceso que ocurre cuando una partícula subatómica choca con su respectiva antipartícula para producir otras partículas, como un electrón que choca con un positrón para producir dos fotones.[1] La energía total y el momento del par inicial se conservan en el proceso y se distribuyen entre un conjunto de otras partículas en el estado final.

https://en.wikipedia.org/wiki/Aniquilación

Ahora bien, es muy importante comprender que las partículas virtuales no son partículas reales y que pueden aparecer y desaparecer a partir de la densidad de energía del vacío cuántico. Las partículas virtuales son un modelo matemático que describe la interacción de los campos cuánticos, en este caso, la entrada y salida de partículas virtuales.

Este no es el caso en la producción y aniquilación de pares. Estas son partículas reales. En el caso de la producción y aniquilación de pares, y esto es lo que está preguntando, se crean o aniquilan dos partículas (par de partículas antipartículas). Cuando la partícula y la antipartícula, como un electrón y un positrón, viajando como ondas, chocan de frente, ambas dejan de existir como fermiones (o cuando el fotón deja de existir y crea un electrón y un positrón), y la energía (momento) se transforma en un fotón. Entonces la energía se conserva.

No estoy de acuerdo con la interpretación de la doble rendija de que un fotón se está cancelando "a sí mismo". Todos los fotones que entran por las rendijas emergen y aparecen en la pantalla, no se pierde energía. Consulte la interpretación del camino de Feynman sobre el "patrón", la palabra interferencia es histórica.
¿Pueden dos ondas interferir de frente?
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