Могут ли две волны столкнуться лоб в лоб?

Могут ли две волны (например, звуковые или электромагнитные волны) мешать друг другу? Если да, и предположим, что они не совпадают по фазе друг с другом и, таким образом, деструктивно интерферируют, куда девается энергия волн?

Да, но это только временно, волны вновь возникают после столкновения, как будто они только что прошли друг через друга. 2 водные волны (одна вверх и одна вниз) при встрече показывают плоскую поверхность, энергия временно сохраняется в эластичности воды.
@PhysicsDave Вода настолько эластична?
Вода примерно в 80 раз более сжимаема, чем сталь, гидравлический удар - еще одно явление упругости воды.
@PhysicsDave Верно ... но я не понимаю, как это означает, что когда волны деструктивно интерферируют, это означает, что энергия сохраняется в эластичности воды.
Волновое движение — очень сложная тема, и упругость среды — фундаментальное требование для волн в материи. При полной интерференции кинетическая энергия равна нулю и полностью переходит в потенциальную энергию, единственная форма которой возможна в упругом потенциале.
@PhysicsDave У вас есть ссылки? Я просто не уверен, что куплю его.
Другой подход; на изображении LucasVB ниже у нас есть волна, бегущая вправо от энергии, созданной с правой стороны, и у нас есть волна, бегущая влево от энергии, созданной с левой стороны, но у нас есть точки с нулевой скоростью в узоре (красные точки). То, как энергия проходит через эти точки при нулевой скорости, должно быть потенциальным. Т.е. если бы вы были наблюдателем в середине пруда в нулевой точке (с надетыми шорами), скажем, 10 волновых импульсов, приближающихся с 2 сторон, вы бы ничего не заметили, но энергия прошла в обоих направлениях через точку, где вы ничего не наблюдали. !
В гугле или википедии много упоминаний о волновом воздействии из-за упругости: «Механические волны могут возникать только в средах, обладающих упругостью и инерцией».
@PhysicsDave Я не говорю, что эластичность не важна для волн. Я просто не понимаю, как разрушительное вмешательство требует накопления потенциальной энергии. На картинке вообще нет чистой передачи энергии в любом направлении. Что касается ссылок, я имел в виду ссылку, показывающую, как при деструктивном вмешательстве волн эта энергия временно сохраняется в упругости среды. Если хотите, чтобы я увидела ваши комментарии, отметьте меня.
@AaronStevens Для световых (ЭМ) волн мы знаем, что эти волны проходят друг через друга, как волны воды, и у нас никогда не бывает нарушения сохранения энергии. Мы могли бы сказать, что электрон в атоме не возбудится при пересечении двумя фотонами противоположной фазы. Для волн материи мы можем иметь полную интерференцию в течение короткого времени, вся кинетическая энергия равна нулю, хотя для стоячих волн, я согласен, существует постоянное движение, но в бегущих волнах это не так.
@PhysicsDave Я не думаю, что это относится к волнам материи. Например, представьте, что на гифке изображены волны на веревке. Когда черная линия совершенно плоская, это не означает, что кинетическая энергия отсутствует. Каждая часть струны не в узле по-прежнему имеет кинетическую энергию.
@AaronStevens Хорошее замечание, но, как я думаю, даже на гифке есть точка нулевой кинетической энергии при максимальной амплитуде. В этот момент (скажем, гитарная струна) скорость струны меняется на противоположную, т. е. она достигает нулевой скорости, и в этот момент вся энергия накапливается в виде натяжения струны. Для стоячих волн на воде мы также имеем потенциал по высоте.
@PhysicsDave Значит, ты говоришь обратное тому, что говорил раньше.
@AaronStevens Я думаю, что я также говорю обратное тому, что вы говорили раньше. Таким образом, бегущие волны демонстрируют инерцию и эластичность иначе, чем стоячие волны, но обе они могут сохранять 100% энергии упруго, когда кинетическая энергия равна нулю. (а с водой мы имеем еще и потенциальную составляющую энергии в дополнение к упругой).

Ответы (5)

Могут ли две волны (например, звуковые или электромагнитные волны) мешать друг другу?

Да. Когда волны складываются в суперпозицию, это называется интерференцией. Две волны, движущиеся навстречу друг другу, интерферируют.

предположим, что они не совпадают по фазе друг с другом и, таким образом, деструктивно интерферируют, куда девается энергия волн?

Это зависит от того, что вы подразумеваете под «разрушительным вмешательством». Если вы имеете в виду, что в какой-то момент времени амплитуда 0 для всех точек в пространстве, тогда нет проблемы. Волновое уравнение является уравнением второго порядка , поэтому волна определяется не только ее амплитудой. Простой пример можно увидеть с волнами на струне. Отправьте один импульс вправо и другой противоположный импульс влево по струне. Когда они встречаются, амплитуда суперпозиции равна 0 во всех точках строки в этот момент времени. Но различные части струны по-прежнему имеют скорость , и, следовательно, два импульса будут проходить друг мимо друга. Никакая энергия не теряется.

Если вместо этого вы имеете в виду, можем ли мы, чтобы две волны приближались друг к другу так, чтобы для всех времен, превышающих некоторое конечное время, суперпозиция была 0 , то это невозможно? Это предполагает, что у нас есть две ненулевые волны с какой-то локализацией в пространстве. Эти волны в конечном итоге будут проходить мимо друг друга. Даже если бы у вас был постоянно колеблющийся источник, вы не смогли бы все компенсировать. Конечно, вашего аргумента в пользу сохранения энергии, на мой взгляд, также достаточно.

Да, двигаясь друг мимо друга вот так: commons.wikimedia.org/wiki/File:Standing_waves1.gif
Ре. «все еще имеют скорость, и, следовательно, два импульса будут проходить друг мимо друга. Никакая энергия не теряется», в то время как смещение струны равно нулю, где хранится энергия - в импульсе?
@user45664 user45664 Части струны все еще в движении. Вот где энергия. Посмотрите на анимацию Питера.
@ Аарон Стивенс Я думал о двух импульсах противоположной полярности в двух разных направлениях, приближающихся друг к другу. Где энергия, когда они проходят мимо друг друга и на мгновение результирующее смещение равно нулю?
@ user45664 Части струны все еще имеют вертикальные скорости ... 0 смещение не означает, что все части строки не двигаются. Пожалуйста, посмотрите на черную линию в анимации Питера. Его для стоячей волны, но вы все еще можете увидеть, как это происходит.
Что произойдет, если вместо того, чтобы двигаться в противоположных направлениях, две противофазные волны будут двигаться в одном направлении с одинаковой скоростью? Это вообще возможно? Можно ли создать две непрерывные волны, движущиеся в одном направлении с одинаковыми скоростями, но в противофазе, которые полностью перекрываются?
@Visal, если они имеют одинаковую точную периодическую форму волны, то вы можете заставить их точно перекрываться только в том случае, если они находятся в фазе.
@ Аарон Стивенс Верно. На самом деле, под «полным перекрытием» я имел в виду, что угол между осями (они так называются в случае одномерных волн?) двух волн равен нулю (то есть они имеют одну и ту же ось)
Тогда возможно ли, чтобы две такие волны, не совпадающие по фазе, интерферировали?
@Висал Да. Всякий раз, когда волны «перекрываются», это называется интерференцией. Вот что говорит первая часть моего ответа
Я не думаю, что смогу четко задать вопрос. В случае двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях, две волны интерферируют, образуя стоячую волну. Что произойдет, если две волны (с одинаковой периодической формой волны), движущиеся в одном направлении с одинаковой скоростью, будут интерферировать разрушительно? Будет ли амплитуда результирующей волны всегда равна нулю?
@Висал Да. Представьте, что у вас есть две обычные расчески. Перемещение гребней вправо подобно волне, бегущей вправо. Теперь выровняйте гребни так, чтобы зубья одного гребня были на одном уровне с промежутком между зубьями другого гребня. Таким образом, вы больше не сможете видеть сквозь соты (деструктивное вмешательство). Теперь двигайте гребни вправо с той же скоростью. Вы все еще не можете видеть сквозь гребни. Вы просто переводите 0 амплитуда, которая по-прежнему дает вам 0 амплитуда.
Да, верно. Таким образом, это означает, по существу, что такая комбинация волн не передает никакой энергии. Верно?
@Visal Да, это верно, хотя, если я вижу, к чему вы клоните, я не думаю, что сохранение энергии может быть здесь нарушено. Я не уверен, как вы могли фактически создать две подобные волны с источником, который обеспечивает чистую передачу энергии.
Да @AaronStevens. Вот почему я спросил, возможно ли вообще создавать такие волны.
@AaronStevens Как насчет листа прозрачного материала, который излучает волну, когда через него проходит другая идентичная волна, так что две волны, движущиеся в одном направлении, соединяются, как два гребня?

Две волны одинаковой частоты и противоположного направления распространения образуют стоячую волну.

Как этот рисунок от LucasVB :введите описание изображения здесь

Редактировать: в стоячей волне энергия колеблется между различными формами. Для механической волны (например, поперечной волны на струне) это упругая потенциальная энергия и кинетическая энергия. В случаях, когда струна прямая (минимальная потенциальная энергия), кинетическая энергия максимальна.

... в этом случае важно отметить, что энергия никуда не «уходит». Детали зависят от среды, однако: (i) для звука энергия не является квадратом изображаемой функции, тогда как (ii) для света плотность электрической энергии представляет собой квадрат черной линии, которая колеблется - - рассинхронизация в пространстве и времени от плотности магнитной энергии, так что общая плотность энергии остается постоянной.

Почему нет? Суперпозиция есть суперпозиция. Стоячие волны возникают в результате интерференции волн противоположного направления распространения.

Для звуковых волн и других волн, которые зависят от движения атомов и молекул, деструктивная интерференция в конечном итоге рассеет энергию по атомам и молекулам, что в конечном итоге приведет к теплу (движению материи).

Для света, распространение которого не зависит от среды, все сложнее. Свет только накладывается, не взаимодействует. Это видео Массачусетского технологического института показывает, что происходит при суперпозиционной интерференции лазерного луча, разделенного надвое и вынужденного интерферировать. Энергия, не появляющаяся в паттерне, возвращается обратно в лазерный механизм!

В общем, для электромагнитных волн, когда видны интерференционные световые картины, энергия переходит из темных областей в светлые области, т.е. это функция, по крайней мере, двух пространственных измерений, а не одномерных графиков, обычно показывающих интерферирующие амплитуды. В моем ответе здесь на почти дублирующийся вопрос я более подробно расскажу. Обратите внимание, что для того, чтобы увидеть свет, он должен взаимодействовать с материей, поэтому в конце концов энергия пойдет на нагрев материала экрана.

Деструктивная интерференция — это не рассеивание энергии.
Полная деструктивная интерференция @AaronStevens поднимает проблему энергосбережения. В свете, который состоит из фотонов, да, полная интерференция, поскольку видео показывает потребности и объяснение того, куда уходит энергия.
Да, я согласен с этим
Связанное вами видео из Массачусетского технологического института настолько очевидно: «Это видео из Массачусетского технологического института является поучительным и представляет собой реальный эксперимент, который показывает, что в деструктивной интерференции, созданной с помощью интерферометров, существует обратный луч, возвращающийся к источнику, насколько распространяются классические электромагнитные волны. Таким образом, энергия уравновешивается возвращением к источнику». Насколько невежественным может быть кто-то и понизить ответ, чем больше делать это без объяснения причин.
В видео Массачусетского технологического института не объясняется, куда уходит энергия, потому что при создании сильных помех резонатор лазера фактически излучает меньше, т. е. амперметр на блоке питания показал бы снижение. Этот тип интерференции легко воссоздать, например, с помощью лазерного диода, внешние зеркала могут легко нарушить волновую функцию резонатора и уменьшить генерацию.
@AaronStevens Видео Массачусетского технологического института не объясняет, куда уходит энергия, потому что при создании сильных помех лазерный резонатор на самом деле меньше лазера, то есть измеритель тока на блоке питания покажет уменьшение. Этот тип интерференции легко воссоздать, например, с помощью лазерного диода, внешние зеркала могут легко нарушить волновую функцию резонатора и уменьшить генерацию.
@PhysicsDave Извините, мой комментарий был не о свете или видео.
@PhysicsDave ваше объяснение - это просто еще один способ описать, что лазерная система представляет собой одну квантово-механическую сущность ... А квантовой механике присуще сохранение энергии. Я думаю, объяснение профессора правильное.

Конечно, ответ Аннава правильный. Позвольте мне добавить несколько вещей, потому что есть две основные теории:

  1. в эксперименте с двумя щелями, когда мы интерпретируем прохождение фотона (выстреливаемого по одному) через обе щели как парциальные волны, эти волны интерферируют. Они могут мешать конструктивно (они совпадают по фазе, создают точку на экране) или деструктивно (не в фазе и отсутствие точки на экране). Конечно, объяснение здесь в том, что фотоны и щели запутаны, и поэтому энергия фотонов, которые деструктивно интерферируют, отдает свою энергию щелям, когда они неупруго рассеиваются или поглощаются щелями. Энергия сохраняется. Если они конструктивно мешают, энергия находится в точке на экране. Энергия по-прежнему сохраняется.

  2. виртуальные частицы и античастицы, это, конечно, дуэт корпускулярно-волнового дуэта, тоже действующие как волны, и когда они в вашем случае сталкиваются лоб в лоб, они компенсируются, и энергия уходит туда, откуда она пришла. Вернемся к плотности энергии вакуума. Да, фотоны сами себе античастицы. Когда вы говорите об элементарных частицах в СМ, частицы могут аннигилировать со своими античастицами. Это то, о чем вы спрашиваете, потому что в этом случае, когда создается частица-античастица, она появляется и исчезает. Откуда? Из плотности энергии вакуума (виртуальные частицы).

Производство пар — это создание субатомной частицы и ее античастицы из нейтрального бозона. Примеры включают создание электрона и позитрона, мюона и антимюона или протона и антипротона. Производство пар часто относится конкретно к фотону, создающему пару электрон-позитрон вблизи ядра. Чтобы произошло образование пар, поступающая энергия взаимодействия должна быть выше порога, по крайней мере, общей энергии массы покоя двух частиц, и ситуация должна сохранять как энергию, так и импульс.

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

В физике элементарных частиц аннигиляция — это процесс, происходящий, когда субатомная частица сталкивается с соответствующей античастицей, образуя другие частицы, например электрон сталкивается с позитроном, создавая два фотона.[1] Полная энергия и импульс исходной пары сохраняются в процессе и распределяются между множеством других частиц в конечном состоянии.

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

Теперь очень важно понять, что виртуальные частицы — это не настоящие частицы, и они могут появляться и исчезать из-за плотности энергии квантового вакуума. Виртуальные частицы — это математическая модель, описывающая взаимодействие квантовых полей, в данном случае появление и исчезновение виртуальных частиц.

Это не относится к парному рождению и аннигиляции. Это настоящие частицы. В случае рождения и аннигиляции пар, о чем вы и спрашиваете, рождаются или аннигилируют две частицы (пара частица-античастица). Когда частица и античастица, как электрон и позитрон, движущиеся как волны, сталкиваются лоб в лоб, обе перестают существовать как фермионы (или когда фотон перестает существовать и создает электрон и позитрон), и энергия (импульс) превращается в фотон. Так сохраняется энергия.

Я не согласен с интерпретацией двойной щели, согласно которой фотон уничтожает «себя». Все фотоны, попадающие в щели, выходят и появляются на экране, энергия не теряется. См. Интерпретацию пути Фейнмана на «шаблоне», слово «интерференция» является историческим.
Могут ли две волны столкнуться лоб в лоб?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v