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Ondas

Física · Ondas

Interferencia

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Pregunta esencial

¿Qué pasa cuando dos ondas se encuentran?

Cuando dos pelotas chocan, rebotan una contra la otra. Las ondas se comportan de manera muy distinta. Al final de esta lección, deberías poder sumar ondas que se superponen, explicar la interferencia constructiva y la destructiva, y describir cómo funcionan los audífonos con cancelación de ruido.

El video de la lección llegará pronto. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.

Superposición

  • Las ondas pueden superponerse
  • Los desplazamientos se suman
  • Hacia arriba es +, hacia abajo es −
Fila de arriba, con la etiqueta antes: un pulso de 2 cm de altura se mueve a la derecha y un pulso de 3 cm de altura se mueve a la izquierda por una cuerda azul. Fila de abajo, con la etiqueta superpuestos: un solo pulso verde de 5 cm de altura, con la etiqueta 2 + 3 = 5 cm.

Cuando dos ondas se superponen en el mismo lugar, el principio de superposición dice que sus desplazamientos simplemente se suman. Si un pulso de 2 cm y un pulso de 3 cm (los dos hacia arriba) se superponen, la cuerda sube 2 + 3 = 5 cm en ese momento. Los desplazamientos por encima del equilibrio cuentan como positivos y los desplazamientos por debajo cuentan como negativos. Esta suma de ondas que se superponen se llama interferencia.

Interferencia constructiva

  • Una cresta se encuentra con una cresta
  • Un valle se encuentra con un valle
  • Resultado: una onda mayor
Una onda azul más una onda roja que coincide con ella de cresta a cresta es igual a una onda verde con el doble de amplitud. Leyenda: cresta más cresta forma una cresta mayor.

En la interferencia constructiva, las ondas se alinean cresta con cresta y valle con valle. Sus desplazamientos se suman, así que el resultado es una onda con una amplitud mayor. Dos ondas idénticas que se alinean perfectamente forman una onda con el doble de amplitud.

Interferencia destructiva

  • Una cresta se encuentra con un valle
  • Los desplazamientos se cancelan
  • Con amplitudes iguales: una línea plana
Una onda azul más una onda roja invertida, de modo que cada cresta azul coincide con un valle rojo, es igual a una línea verde plana. Leyenda: cresta más valle se cancelan.

En la interferencia destructiva, la cresta de una onda se alinea con el valle de la otra. Un desplazamiento es positivo y el otro es negativo, así que se cancelan en parte o por completo. Si las dos ondas tienen amplitudes iguales, se cancelan por completo y el medio queda plano donde se superponen.

Las ondas se atraviesan

  • Los pulsos se superponen y luego se separan
  • Cada uno conserva su forma
  • Cada uno conserva su dirección
Tres instantáneas de una cuerda. Antes: un pulso hacia arriba se mueve a la derecha (flecha azul) y un pulso hacia abajo más pequeño se mueve a la izquierda (flecha roja). Durante: los pulsos se superponen y se cancelan en parte, y queda un bulto pequeño. Después: el pulso hacia arriba está a la derecha y sigue moviéndose a la derecha, y el pulso hacia abajo está a la izquierda y sigue moviéndose a la izquierda, los dos sin cambios.

Las ondas no son objetos, así que no rebotan una contra la otra. Dos pulsos se superponen e interfieren por un momento y luego se atraviesan. Después, cada pulso tiene exactamente la misma forma y el mismo tamaño que tenía antes, y sigue moviéndose en su dirección original, como si el otro pulso nunca hubiera estado ahí.

Audífonos con cancelación de ruido

  • El micrófono capta el ruido de afuera
  • La bocina reproduce la onda invertida
  • Interferencia destructiva: silencio
Tres filas. Una onda de ruido roja con muchos bultos, con la etiqueta ruido. Debajo, una onda azul que es la copia exacta de cabeza, con la etiqueta bocina. Debajo de esa, una línea verde plana con la etiqueta lo que oyes. Leyenda: la onda invertida cancela el ruido.

Los audífonos con cancelación de ruido usan la interferencia destructiva a propósito. Un micrófono diminuto en la parte de afuera de cada auricular capta el ruido que llega. Un chip crea la copia exacta de esa onda, pero invertida, y la bocina la reproduce. Cada cresta del ruido se encuentra con un valle de la bocina, así que las dos se cancelan y oyes mucho menos ruido. Tu música se agrega por separado, así que no se cancela.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Suma de dos crestas

Dos pulsos viajan uno hacia el otro por una cuerda. Los dos son crestas. Uno mide 3.0 cm de altura y el otro mide 5.0 cm de altura. ¿Qué altura tiene la cuerda cuando los pulsos se superponen por completo?

Una cuerda con un pulso hacia arriba con la etiqueta 3.0 cm que se mueve a la derecha y un pulso hacia arriba más alto con la etiqueta 5.0 cm que se mueve a la izquierda.
Mostrar la solución
  1. Datos: y1 = +3.0 cm, y2 = +5.0 cm (las dos son crestas, así que las dos son positivas)
  2. Superposición: y = y1 + y2
  3. Sustituye: y = (+3.0 cm) + (+5.0 cm)
  4. Respuesta: y = +8.0 cm (8.0 cm por encima del equilibrio). Esto es interferencia constructiva.

Ejemplo 2: Una cresta se encuentra con un valle

Una cresta de 6.0 cm y un valle de 4.0 cm viajan uno hacia el otro por una cuerda. ¿Cuál es el desplazamiento de la cuerda cuando se superponen por completo?

Una cuerda con un pulso hacia arriba con la etiqueta cresta de 6.0 cm que se mueve a la derecha y un pulso hacia abajo con la etiqueta valle de 4.0 cm que se mueve a la izquierda.
Mostrar la solución
  1. Datos: y1 = +6.0 cm (cresta), y2 = −4.0 cm (valle)
  2. Superposición: y = y1 + y2
  3. Sustituye: y = (+6.0 cm) + (−4.0 cm)
  4. Respuesta: y = +2.0 cm (2.0 cm por encima del equilibrio). Esto es interferencia destructiva, porque las ondas se cancelan en parte.

Ejemplo 3: Después de cruzarse

La cresta de 6.0 cm y el valle de 4.0 cm del ejemplo anterior se atraviesan. Describe cada pulso después de que se separan.

Mostrar la solución
  1. Idea clave: las ondas se atraviesan sin cambiar
  2. Cresta: sigue siendo una cresta de 6.0 cm, y sigue moviéndose en su dirección original
  3. Valle: sigue siendo un valle de 4.0 cm, y sigue moviéndose en su dirección original
  4. Respuesta: los dos pulsos no cambian. El desplazamiento de 2.0 cm solo existió mientras se superponían.

Ejemplo 4: Cancelación del ruido

En un instante, la onda de ruido en tu oído tiene un desplazamiento de +0.40 µm. ¿Qué desplazamiento debería tener en ese instante la onda de la bocina de los audífonos para cancelar el ruido?

Una onda de ruido roja con un punto marcado con un círculo y la etiqueta +0.40 micrómetros.
Mostrar la solución
  1. Meta: desplazamiento total = 0
  2. Superposición: yruido + ybocina = 0
  3. Despeja: ybocina = −yruido = −(+0.40 µm)
  4. Respuesta: ybocina = −0.40 µm, un valle exactamente tan profundo como alta es la cresta del ruido

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

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Ideas clave

  • Los desplazamientos que se superponen se suman
  • Cresta + cresta: constructiva, mayor
  • Cresta + valle: destructiva, se cancelan
  • Las ondas se atraviesan sin cambiar

De vuelta a la pregunta esencial: cuando dos ondas se encuentran, sus desplazamientos se suman. Una cresta sobre otra cresta forma una onda mayor (interferencia constructiva), y una cresta sobre un valle se cancela (interferencia destructiva). Después las ondas se atraviesan sin cambiar. En la siguiente lección, veremos qué pasa cuando una onda interfiere con su propio reflejo en Ondas estacionarias.

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Alineación con NGSS

Esta lección avanza hacia las siguientes expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS, por sus siglas en inglés):

  • HS-PS4-1: Usar representaciones matemáticas para respaldar una afirmación sobre las relaciones entre la frecuencia, la longitud de onda y la rapidez de las ondas que viajan por diversos medios.
  • HS-PS4-3: Evaluar las afirmaciones, la evidencia y el razonamiento detrás de la idea de que la radiación electromagnética se puede describir con un modelo ondulatorio o con un modelo de partículas, y de que en algunas situaciones un modelo es más útil que el otro.

Ideas disciplinarias básicas: PS4.A Propiedades de las ondas; PS4.B Radiación electromagnética

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