¿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

Comentó Tausif:

Creo que el OP quiere saber por qué se produce la difracción y por qué las ondas no continúan como señalan en el diagrama.

En cualquier medio elástico, un efecto de presión no sólo provoca un desplazamiento del material en esta dirección, sino también un desplazamiento lateral. (En un medio inelástico, el material simplemente se perfora). Así que la esperada onda longitudinal va acompañada siempre de una onda transversal.

Esta onda transversal se extiende en medios isotrópicos como una onda esférica. El obstáculo con la rendija limita la isotropía y en lugar de una onda esférica en obtener sólo tienen de una onda esférica.

Answer 2

Tu imagen inicial es incompleta al describir una versión más profunda de las ondas. Las ondas no son en realidad un montón de haces paralelos que viajan en línea recta por la página como tú muestras. Lo que hay es una superposición de fuentes puntuales de energía y una sola fuente puntual de energía producirá una onda circular. Tu frente de onda está formado por un número casi infinito de estas fuentes puntuales y es la superposición de las ondas de estas fuentes puntuales lo que se combina para crear un frente de onda uniforme. Por lo tanto, cuando la onda se encuentra con una abertura, actúa como la fuente puntual que es y el resultado es el mismo que actuaría una fuente puntual de energía, es decir, una onda circular.

Answer 3

En la abertura, la onda ya no es plana: es el producto de una función recta, que es unidad en la abertura y cero fuera de ella, y una onda plana. Se puede inspeccionar qué vectores de onda están presentes transformando de Fourier este producto. El resultado es una convolución de la transformada de la rect, la llamada función sinc, y la onda plana. El mensaje es que el resultado es una suma de ondas planas de dirección variable. Para una apertura puntual, todas las ondas planas están presentes con igual amplitud y fase, es decir, una onda esférica. Por desgracia, esto requiere algunas matemáticas elementales para entenderlo.

Answer 4

@Andrew Steane ya ha dado una buena respuesta, sólo quiero hacer la explicación más visual. Lo primero que quiero mostrar es la difracción de la onda de luz, dada en la imagen de abajo. Lo que se ve aquí es el gráfico de la intensidad del campo eléctrico. La onda plana se desprende de la parte posterior de la rendija, que es apenas visible como la región azul oscuro.

La ocurrencia de la difracción se puede resumir en que los frentes de onda que son paralelos a los frentes de onda entrantes continúan propagándose tal cual, pero los bordes de la onda transmitida producen frentes de onda secundarios que son los observados, efecto de difracción. Para visualizarlo dibujo la segunda imagen de abajo, que muestra los frentes de onda de la onda pasada por la rendija difractiva. Como es fácilmente visible en la imagen de abajo, los bordes de la onda plana tiene un frente de onda secundario.

Usted ha preguntado en la pregunta, por qué la onda plana no pasa la rendija como una onda plana. Es porque la onda plana es una combinación de ondas que realmente se alarga hasta el infinito. Si la combinación de frentes de onda no se alarga hasta el infinito, veremos también el mismo efecto de curvatura en los bordes. Para dar el comportamiento general de la propagación, he añadido el GIF de la propagación de la onda a continuación (simulado con el método FDTD):