Ranura Simple de Fraunhofer

Este experimento es otro intento de visualizar más claramente la naturaleza de la difracción por rendija simple. El fenómeno de la difracción consiste en la difusión de las ondas que han pasado a través de aberturas, cuyo ancho están en el orden de la longitud de onda de la onda. 

Rejilla de difracción

Condiciones para interferencias. Experimento de Young 1801.

Condiciones para la interferencia

La superposición de dos ondas mecánicas puede ser constructiva o destructiva. En la interferencia constructiva, la amplitud de la onda resultante es mayor que una u otra onda individual, mientras que en la interferencia destructiva, la amplitud resultante es menor que la onda más grande. Las ondas de luz también interfieren entre ellas. Fundamentalmente, toda interferencia asociada con ondas de luz aparece cuando se combinan los campos electromagnéticos que constituyen las ondas individuales.

Si dos focos de luz se colocan uno al lado del otro, no se observan efectos de interferencia porque las ondas de luz de cada uno se emiten independientemente de la otra. Las emisiones de los dos focos no mantienen una correspondencia de fase constante entre ellos con el tiempo. Las ondas de luz de una fuente ordinaria, como es un foco, se somete a cambios de fase aleatorios en intervalos menores a un nanosegundo. Por lo tanto, las condiciones para interferencia constructiva, interferencia destructiva, o algún estado intermedio, se mantienen sólo durante estos intervalos de tiempo. Puesto que el ojo humano no puede seguir cambios tan rápidos, no se observan efectos de interferencia. Se dice que estas fuentes de luz son incoherentes.

Para observar interferencia en ondas de dos fuentes, debe cumplir las siguientes condiciones:

• Las fuentes deben ser coherentes, es decir, deben mantener una fase constante respecto de otra.
• Las fuentes deben ser monocromáticas, es decir, de una sola longitud de onda.

Por ejemplo, las ondas de sonido de una sola frecuencia emitidas por dos altavoces colocados uno al lado del otro y activados por un solo amplificador pueden interferir entre sí porque los dos altavoces son coherentes, es decir, responden al amplificador de la misma forma en el mismo tiempo.

Experimento de doble rendija de Young

Un método común para producir dos fuentes de luz coherentes consiste en usar una fuente monocromática para iluminar una barrera que contenga dos pequeñas aberturas, por lo general en forma de ranuras. La luz que sale de las dos ranuras es coherente porque una sola fuente produce el rayo de luz original y las dos ranuras sirven sólo para separar el rayo original en dos partes (que, después de todo, es lo que sucede con la señal de sonido desde los dos altavoces anteriores). Cualquier cambio aleatorio en la luz emitida por la fuente se presenta en ambos rayos al mismo tiempo y, en consecuencia, se observan efectos de interferencia cuando la luz de las dos ranuras llega a una pantalla de observación.

Si la luz se mueve sólo en su dirección original después de pasar por las ranuras, como se muestra en la figura, las ondas no se traslaparían y no se vería patrón de interferencia alguna. En lugar de ello, según el principio de Huygens, las ondas se extienden desde las ranuras.

En otras palabras, la luz se desvía de una trayectoria recta y penetra en la región que de otro modo estaría sombreada, esta divergencia de luz a partir de su línea inicial de recorrido se denomina difracción.

La interferencia en ondas de luz de dos fuentes fue demostrada primero por Thomas Young en 1801. 

Las ondas planas llegan a una barrera que contiene dos ranuras paralelas S1 y S2. La luz de S1 y S2 produce, en una pantalla, una configuración visible de bandas brillantes y oscuras paralelas llamadas franjas. Cuando la luz desde S1 y desde S2 llega a un punto tal en la pantalla que ocurre interferencia constructiva en ese lugar, aparece una franja brillante. Cuando la luz de las dos ranuras se combina destructivamente en cualquier lugar sobre la pantalla, resulta una franja oscura.

Ondas en Interferencia. El experimento de doble rendija de Young sirve como prototipo para fenómenos de interferencia que involucran radiación electromagnética. En este experimento, dos rendijas separadas por una distancia d se iluminan mediante una fuente de luz de una sola longitud de onda. 

Las condiciones para franjas brillantes (interferencia constructiva) y para franjas oscuras (interferencia destructiva) son:

El número m es el número de orden de la franja.

También es útil obtener expresiones para las posiciones lineales observadas a lo largo de la pantalla desde O hasta P. A partir del triángulo OPQ de la figura, las posiciones lineales de las franjas brillante y oscura son:

Onda de choque

Una onda de choque es una onda de presión abrupta producida por un objeto que viaja más rápido que la velocidad del sonido en dicho medio, que a través de diversos fenómenos produce diferencias de presión extremas y aumento de la temperatura.  La onda de presión se desplaza como una onda de frente por el medio.

Avión viajando a más velocidad que el sonido:

Vs: rapidez de la fuente

v: rapidez de la onda

En t = 0, la fuente está en So, y en un tiempo posterior t, la fuente está en Sn. En el tiempo t, el frente de onda con centro en So alcanza un radio de vt. En este mismo intervalo de tiempo, la fuente recorre una distancia Vst a Sn. En el instante en que la fuente está en Sn, las ondas apenas comienzan a generarse en esta ubicación; por tanto, el frente de onda tiene radio cero en este punto. La línea tangente dibujada desde Sn al frente de onda con centro en So es tangente a todos los otros frentes de onda generados en tiempos intermedios. Por lo tanto, la envolvente de estos frentes de onda es un cono cuyo semiángulo del vértice  θ (el “ángulo Mach”) se conoce por:

La relación Vs/v se conoce como número Mach, y el frente de onda cónico que se produce cuando Vs es mayor que v (rapidez supersónica) se conoce como onda de choque. 

Los aviones jet que viajan con magnitudes de velocidad supersónicas producen ondas de choque, que son responsables del fuerte “estampido sónico” que uno escucha. La onda de choque lleva una gran cantidad de energía concentrada en la superficie del cono, con grandes variaciones de presión correspondientes. Tales ondas de choque son desagradables de escuchar y pueden causar daño a los edificios cuando los aviones vuelan supersónicamente a bajas altitudes. De hecho, un avión que vuela con rapidez supersónica produce un doble estampido porque se forman dos ondas de choque, una desde la nariz del avión y otra desde la cola. Las personas cerca de la trayectoria de un trasbordador espacial mientras se aproxima a su punto de aterrizaje, con frecuencia reportan escuchar lo que suena como dos crujidos de trueno muy cercanamente espaciados.

ONDA DE PROA EN V

Una analogía interesante con las ondas de choque son los frentes de onda con forma en V producidos por un bote (la onda de proa) cuando la rapidez del bote supera la rapidez de las ondas en la superficie del agua.