¿Por qué se produce exactamente la difracción?

Question

¿Por qué las ondas que viajaban en dirección recta cambian de dirección al pasar por una abertura?

Pensaba que las ondas (flecha roja) al chocar con la pared rebotan en sentido contrario (flecha verde).

Y las ondas que atraviesan la abertura siguen su camino normalmente, como se muestra en la imagen de la derecha.

Las ondas que van en dirección recta deben seguir viajando en línea recta como un coche que pasa por debajo de un puente el coche va recto por la carretera. Pero esto no es así.

¿Por qué cambia la dirección de las ondas?

¿Cómo se calcula la dirección de las ondas?

Answer 1

Para las matemáticas completas, puedes buscar "difracción" y "principio de Huygens", pero aquí me limitaré a publicar una observación rápida que es suficiente para tener una buena intuición física.

Supongamos que estamos considerando las olas del agua, e imagínate sentado detrás de la barrera en el "puerto" (en la parte inferior de tu diagrama), observando las olas que se acercan desde "mar adentro" (es decir, la parte superior de tu diagrama). Cuando las olas llegan a la "boca del puerto" (es decir, a la pequeña abertura de tu diagrama), el agua sube y baja. Por lo tanto, el agua sube y baja en la pequeña abertura. Ahora, la superficie del agua cercana también subirá y bajará, ¿no es así? Y las ondas se extenderán desde allí. No importa en qué dirección lo consideres: las olas se extenderán hacia el "puerto" porque el agua de la boca del puerto se está moviendo.

Con esta forma de pensar, uno empieza a preguntarse por qué las olas en el mar son tan rectas. En última instancia, es porque en ese caso tienes agua oscilante a lo largo de una línea larga, y así el agua a lo largo de esa línea larga es causada para moverse en sincronía.

Como digo, esto no es una respuesta matemática completa, sólo un intento de darte alguna intuición sobre la física.

Answer 2

Lo primero que hay que tener en cuenta es que las olas sólo aparece para viajar. Pero cuando se observa a un pez en el agua, queda claro que el agua sólo se agita de un lado a otro. Las olas se producen porque los movimientos del agua no están sincronizados, ni podrían estarlo: ¿cómo podrían saber todas las moléculas de agua que tienen que invertirse al mismo tiempo? Así que cuando tienes moléculas de agua viajando en direcciones opuestas >>^<< no hay ningún lugar al que puedan ir sino hacia arriba. Eso produce la cresta de la ola. Y cuando un poco de agua invierte localmente la dirección, la cresta se mueve >^<<<.

Ahora sabemos que las ondas son realmente un efecto local. Eso significa que la onda dentro de la rendija no recuerda de dónde viene. Y eso significa que tampoco recuerda en qué dirección tendría que viajar. Todas las direcciones son posibles.

Ahora bien, si las olas no tienen memoria, ¿cómo "saben" viajar en línea recta cerca de la playa? Bueno, en realidad no es eso lo que ocurre. Las crestas de las olas viajan ortogonalmente a las líneas de cresta. En las rendijas finas, donde ya no hay una línea de cresta, esto ya no tiene sentido, y por eso se produce la difracción.

Se puede ver cómo esto tiene sentido cuando se observan rendijas más amplias. En el centro, hay una línea de cresta bien definida, y todavía se obtiene el patrón recto. Pero en ambos bordes, se obtienen los efectos de difracción. Esto deshilacha los bordes de las líneas de cresta, haciéndolos progresivamente más ordenados, hasta que desaparecen por completo. Después, se obtiene un patrón complejo de picos aislados.

Answer 3

"¿Por qué las ondas son rectas?" es la primera pregunta.

Empecemos con un modelo de ondas donde las partículas no tienen mucha energía cinética. Sólo tienen energía potencial.

Cada lugar, si tiene menos energía que un lugar adyacente, le roba 1 unidad de energía.

Así que si empezamos con:

00000
00000
00900
00000
00000

siguiente garrapata:

00000
01110
01110
01110
00000

siguiente garrapata:

0000000
0.111.0
0100010
0101010
0100010
0.111.0
0000000

0.....0
.00000.
.0...0.
.0.0.0.
.0...0.
.00000.
0.....0

donde . es una unidad fraccionaria de energía.

y vemos un modelo muy simple de una "onda circular" que viene de un punto.

Ahora mira lo que pasa cuando tenemos un frente de onda (voy a suponer que las líneas se van "para siempre" a la izquierda y a la derecha, pero hay una pared en la parte superior).

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9999999999999
0000000000000
0000000000000
0000000000000
0000000000000
0000000000000
0000000000000

3333333333333
3333333333333
3333333333333
0000000000000
0000000000000
0000000000000
0000000000000
0000000000000

3333333333333
3333333333333
0000000000000
3333333333333
0000000000000
0000000000000
0000000000000
0000000000000

3333333333333
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5555555555555
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1111111111111
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4444444444444
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4444444444444
0000000000000
1111111111111
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0000000000000

3333333333333
0000000000000
2222222222222
0000000000000
3333333333333
0000000000000
1111111111111
0000000000000

Oye, mira, olas. (Hice un poco de redondeo) con un poco de "chapoteo" inicial, ya que rebota en la "pared" en la parte superior.

Supongamos que un grupo de olas hace que un agujero en una pared suba y baje:

######9######
0000000000000
0000000000000
0000000000000
0000000000000

######0######
0000033300000
0000000000000
0000000000000
0000000000000

######9######
0000100010000
0000111110000
0000000000000
0000000000000

######0######
0001033301000
0001000001000
0001111111000
0000000000000

como no hay una dirección intrínseca de la onda, sólo arriba y abajo, induce una onda circular en el punto de partida.

Siendo más matemáticos, una onda lineal es sólo un montón de ondas circulares. Toma 5 copias de esto:

00000
00000
00900
00000
00000

desplazado por uno horizontalmente y obtienes:

000000000
000000000
009999900
000000000
000000000

000000000
013333310
030000030
013333310
000000000

012333210
100000001
102000201
100000001
012333210

porque la "joroba" de 9s adyacentes a cada 9 frena la entrada.

Una onda física real es más compleja que este simple modelo de célula de tiempo discreto. Pero la idea básica: que las "jorobas" empujan el agua hacia fuera y los "golfos" la atraen hacia dentro, y que hay suficiente impulso para provocar un rebasamiento, da como resultado un efecto similar. Las ondas lineales son el resultado de "jorobas" y "golfos" lineales adyacentes. Al llegar a una barrera con un agujero, las "jorobas" lineales adyacentes desaparecen, y la ola se vuelve más cicular al caer tanto "hacia adelante" y "de lado", en lugar de estar apoyado en los lados por otras "jorobas" de agua.

Answer 4

Su apertura sólo permite que pase un segmento muy corto de la onda plana entrante. A medida que la apertura se hace más pequeña, el segmento se parece cada vez más a una fuente puntual. Una fuente puntual emite ondas esféricas como las que muestras en tu figura inferior derecha. (esto es casi intuitivamente obvio debido a la simetría--¿qué otra forma de onda emitiría un punto?)

Esto suele explicarse más formalmente a través de la difracción:

https://isaacphysics.org/concepts/cp_diffraction

"La difracción es la dispersión de las ondas al pasar por una abertura o alrededor de objetos. ... En una abertura con una anchura menor que la longitud de onda, la onda transmitida a través de la abertura se propaga en todo su recorrido y se comporta como una fuente puntual de ondas (se propagan por debajo)"

Answer 5

Una respuesta rápida sería que no están cambiando de dirección. Cada punto del plano es la fuente de una sola onda. Las ondas simples se expanden en círculos, pero al juntar muchas ondas simples las sumas y obtienes una onda plana. La apertura, si es lo suficientemente pequeña, simplemente bloquea las otras ondas permitiendo que sólo pase una y así vuelve a tomar forma circular.

Esto es una simplificación de la difracción y del principio de Huygens, pero puede ayudarte a hacerte una idea.