Συμβολή (φυσική)

Εικόνα συμβολής κυμάτων σε επιφάνεια υγρού

Συμβολή ονομάζεται η αλληλεπίδραση δύο κυμάτων τα οποία είτε προέρχονται από την ίδια πηγή, είτε από διαφορετικές πηγές έχοντας την ίδια ή παραπλήσια συχνότητα και διαδίδονται στο ίδιο μέσο, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός κύματος με μεγαλύτερο ή μικρότερο πλάτος.

Ενισχυτική και αποσβεστική συμβολή

Ενισχυτική και αποσβεστική συμβολή

Δύο κύματα που διαδίδονται ταυτόχρονα στην ίδια περιοχή του μέσου μπορούν να συμβάλλουν είτε ενισχυτικά είτε αποσβεστικά. Ενισχυτική συμβολή λαμβάνει χώρα στην περίπτωση που τα κύματα βρίσκονται στην ίδια φάση, ενώ αν στην ίδια περιοχή του χώρου συναντηθούν κύματα που έχουν διαφορά φάσης 180° το αποτέλεσμα είναι η αποσβεστική συμβολή. Γενικά ισχύει πως για να έχουμε ενισχυτική συμβολή πρέπει η διαφορά φάσης των δυο κυμάτων να είναι άρτιο πολλαπλάσιο του π, ενώ για να έχουμε αποσβεστική συμβολή θα πρέπει η διαφορά φάσης των δυο κυμάτων να είναι περιττό πολλαπλάσιο του π. Πιο απλά αν στο ίδιο σημείο του χώρου συναντηθούν ταυτόχρονα δύο κυματικές κορυφές ή δύο κυματικά ελάχιστα το αποτέλεσμα είναι διπλασιασμός του πλάτους της κορυφής ή των ελαχίστων, επομένως είναι ενισχυτικό. Αν στο ίδιο σημείο του χώρου όμως συναντηθεί το ελάχιστο σημείο του ενός κύματος με την κορυφή του δεύτερου, τότε τα δύο κύματα αλληλοαναιρούνται και το αποτέλεσμα είναι αποσβεστικό.

Πειραματική μελέτη της συμβολής

Το πείραμα του Young

Εικόνα περίθλασης από μία λεπτή σχισμή

Η συμβολή παρατηρήθηκε με το πείραμα των δύο σχισμών του φυσικού Τόμας Γιανγκ (Thomas Young) το 1801. Το πείραμα αυτό επιβεβαίωσε την κυματική φύση του φωτός. Σύμφωνα με το πείραμα του Γιανγκ το φως μίας μονοχρωματικής πηγής προσπίπτει σε ένα διάφραγμα στο οποίο είναι χαραγμένες δύο παράλληλες πολύ λεπτές σχισμές, με τον περιορισμό πως το πάχος των σχισμών θα πρέπει να είναι συγκρίσιμο σε μέγεθος με το μήκος κύματος, λ, του κύματος. Το αποτέλεσμα είναι να σχηματίζεται στο πέτασμα (σε μία οθόνη, η οποιά βρίσκεται σε πολλύ μεγαλύτερη απόσταση από αυτή του μήκους κύματος, λ) πίσω από τις σχισμές μία εικόνα από εναλλασσόμενες φωτεινές και σκοτεινές ζώνες. Το σχέδιο που δημιουργείται ονομάζεται εικόνα συμβολής και αποτελείται από διαδοχικούς φωτεινούς και σκοτεινούς κροσσούς, τους κροσσούς συμβολής. Όπως είδαμε παραπάνω αν στην ίδια περιοχή του χώρου συναντηθούν κύματα που βρίσκονται στην ίδια φάση το αποτέλεσμα είναι ενισχυτική συμβολή ενώ αν στην ίδια περιοχή του χώρου συναντηθούν κύματα που έχουν διαφορά φάσης 180° το αποτέλεσμα είναι αποσβεστική συμβολή. Ισχύει δηλαδή:

$\Delta \phi ={\begin{cases}2n\pi ,&\epsilon \nu \iota \sigma .\\(2n+1)\pi ,&\kappa \alpha \tau .\end{cases}}$

ή αλλιώς για την διαφορά δρόμων των ακτίνων από κάθε σχισμή σε ένα σημείο ισχύει:

$r_{1}-r_{2}={\begin{cases}n\lambda ,&\epsilon \nu \iota \sigma .\\(n+{\frac {1}{2}})\lambda ,&\kappa \alpha \tau .\end{cases}}$

Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι η ενισχυτική συμβολή στο πείραμα με τις δύο σχισμές ακολουθεί την παρακάτω συνθήκη:

${\frac {n\lambda }{d}}={\frac {x}{L}}\quad \Leftrightarrow \quad {n}{\lambda }={\frac {xd}{L}}\;,$

όπου

λ το μήκος κύματος του φωτός,

d το πάχος της σχισμής

x η απόσταση ανάμεσα στον παρατηρούμενο φωτεινό κροσσό από τον κεντρικό

n ο αύξων αριθμός του παρατηρούμενου φωτεινού κροσσού από τον κεντρικό

L η απόσταση μεταξύ σχισμών και οθόνης.

Με την βοήθεια της τελευταίας σχέσης μπορούμε να υπολογίσουμε το μήκος κύματος μίας άγνωστης δέσμης πραγματοποιώντας το πείραμα του Γιανγκ.

Συμβολή σε λεπτούς υμένες

Συμβολή σε υμένα φυσαλίδας

Το φαινόμενο της συμβολής παρατηρείται επίσης σε λεπτούς υμένες (πολύ λεπτές μεμβράνες όπως η επιφάνεια μίας φυσαλίδας). Το κύμα αλλάζει φάση 180° κατά την ανάκλαση, όταν διαδίδεται σε μέσο χαμηλού δείκτη διάθλασης και ανακλάται από μέσο μεγαλύτερου δείκτη διάθλασης. Επομένως όταν ένα κύμα διαπερνά έναν υμένα ένα μέρος του κύματος ανακλάται στην επιφάνεια του με αλλαγή φάσης 180° και ένα μέρος του διαπερνά την επιφάνεια του και ανακλάται στην δεύτερη διαχωριστική επιφάνεια του υμένα με αποτέλεσμα να εξέρχεται τελικά με διεύθυνση παράλληλη με την πρώτη ανακλώμενη δέσμη. Οι δύο δέσμες που συναντώνται στην επιφάνεια του υμένα μπορούν να συμβάλλουν είτε ενισχυτικά είτε αποσβεστικά ανάλογα με το πάχος του υμένα, του μήκους κύματος του φωτός και την γωνία με την οποία προσπίπτει το φως στην μεμβράνη. Αν το φως που προσπίπτει στην μεμβράνη δεν είναι μονοχρωματικό αλλά φυσικό τότε παρατηρούνται ιριδισμοί στην επιφάνεια της μεμβράνης, κάτι που παρατηρείται σε φυσαλίδες ή σε κυλίδες λαδιού πάνω σε επιφάνειες νερού.

Πηγές

• Θεμελιώδης πανεπιστημιακή φυσική - Αλόνσο Φινν
• Physics - Raymond A. Serway, τόμος ΙΙ
• Φυσική θετικής και τεχνολογικής κατεύθυνσης Γ΄ λυκείου, ΟΕΔΒ

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Εφαρμογή που απεικονίζει το πείραμα διπλής σχισμής του Young
• Εικονικό πείραμα φυσικής,το πείραμα διπλής σχισμής του Young
• Εφαρμογή:Συμβολή ηχητικών κυμάτων.