¿Qué son exactamente en fase y fuera de fase en términos de ondas?

Trataré de responder esta pregunta evitando complicadas fórmulas matemáticas y anotaciones.

Para estar en fase, fuera de fase, dos ondas deben tener la misma frecuencia. Cuando dos ondas están en fase, oscilan juntas, sus funciones alcanzan el valor 0 para los mismos valores x que se repiten periódicamente Y sus derivaciones tienen el mismo canto (+ o -). (Foto 1)

Las ondas fuera de fase son dos ondas cuyas funciones alcanzan el valor 0 para diferentes valores x. La cantidad de cambio de fase se denota en grados o radianes. Si dos ondas están completamente desfasadas (imagen 2) , su desplazamiento de fase es 180 * o pi radianes. Sus funciones también alcanzan 0 para los mismos valores de x, pero sus derivaciones tienen signos opuestos.

Las ondas en la imagen 3 están desfasadas por 90 * o pi / 2 radianes.

Creo que otras respuestas están tratando de responder una pregunta de secundaria con un vocabulario de nivel universitario. Retrocedamos un paso.

¿Qué es una ola? Una ola es algo, cualquier cosa, donde hay una compensación entre posición y tiempo. Cuando una multitud en un estadio “hace una ola”, las personas que están allí levantan los brazos en este momento, las personas que están a su lado levantarán las manos y las personas del otro lado levantaron las manos hace un momento.

En física, mejores ejemplos de olas incluyen las olas del océano. El agua es alta en un área, y esa área se mueve con el tiempo. Con ondas de sonido, el aire se comprime en una zona, y esa zona se mueve a través del aire con el tiempo.

Dos ondas están “en fase” si el fenómeno de interés (manos levantadas, agua alta, aire comprimido, etc.) llega al mismo lugar al mismo tiempo. Por supuesto, dos ondas que están “en fase” en un lugar probablemente no estarán “en fase” en algún otro lugar al azar. Entonces, debes ser específico sobre dónde estás hablando.

El término “fuera de fase” introduce una complejidad. Se puede decir que dos ondas que no están “en fase” están “fuera de fase”. Es como “igual” o “no igual”: no tiene que especificar cuánto “no es igual”. “Desfasado” puede significar que los tiempos de llegada difieren solo un poco o mucho.

Sin embargo, en algunos contextos, el término “fuera de fase” puede significar “tanto fuera de fase como pueda”. Muchos tipos de ondas, como las explosiones de presión en una onda de sonido en el aire, vienen con repeticiones periódicas. (Las olas como las manos levantadas en un estadio no son necesariamente periódicas). En este caso, “fuera de fase” puede significar, “a medio camino entre los máximos regulares y repetitivos”.

He aquí por qué esto es importante: el efecto de las ondas puede sumarse. Si dos ondas “en fase” llegan al mismo lugar al mismo tiempo, el efecto se duplica. Sin embargo, si dos ondas completamente “fuera de fase” llegan al mismo lugar al mismo tiempo, es probable que sean opuestas entre sí, y se cancelarán mutuamente.

Otras respuestas están bien y agregaré que en algunos casos las ondas de diferente frecuencia pueden venir en la misma fase por un momento o periódicamente si son armónicos y fundamentales.
Esto se puede ver en los componentes de Fourier de algunas señales extrañas.
Diracs Delta es solo un pulso, pero podría representarse como una suma espectral de componentes donde están en fase en el valor máximo en el momento del pulso.
Una onda cuadrada es una suma de un fundamental con la misma frecuencia e infinitos armónicos impares que están en fase con el fundamental en el cruce por cero.
Su pregunta fue en el encuadre dinámico de fluidos, en ese caso me gustaría agregar sobre la interferencia, algunas olas cruzadas del mar pueden alcanzar una altura enorme debido a la interferencia de las ondas “en fase”, pensemos en el siguiente escenario, en un mar elíptico el barco está en un foco mientras que una bomba nuclear es detonada en el otro, el foco está a varios kilómetros de distancia y la onda directa no va a afectar al barco, pero los reflejos alrededor de la orilla del mar llegarán al barco al mismo tiempo y en la misma fase …

Dos ondas de la misma frecuencia están en fase si cruzan el eje x en el mismo punto en la misma dirección, de lo contrario están desfasadas.

La cantidad en que las ondas están desfasadas entre sí se puede expresar en grados de 0 ° a 360 °, o en radianes de 0 a 2π. Si la diferencia de fase es 180 grados (π radianes), se dice que las dos ondas están en antifase.

A veces se usa el tiempo en lugar del ángulo para expresar la diferencia de fase.

Desearía poder mostrarte un experimento simple que vi en mi clase de ciencias de la escuela secundaria. Se requería una bandeja de agua y un medio para generar dos ondas separadas, cada una de las cuales emanaba de una rendija en una partición en una bandeja de agua.

Se generó una onda lineal detrás de la partición y dos ondas de agua emergieron a través de las rendijas mientras la ola continuaba como dos ondas desplegadas en patrones circulares concéntricos. Estas ondas emanaban con el mismo espacio o intervalo (frecuencia). Cuando las olas chocaron, sucedieron dos cosas. Los canales y las crestas interactuaron para crear nodos. Donde ocurrieron los nodos, las ondas estaban en fase reforzándose entre sí. Donde ocurrieron los canales, las olas estaban fuera de fase destruyendo o agotando la energía del otro.

Cuando las ondas lineales chocan que están en fase, ocurre el mismo fenómeno en todo el frente de onda reforzándose entre sí. Las crestas se vuelven más altas y los canales se vuelven más profundos.

En el Museo de Ciencia e Industria de Chicago hay una exhibición que ilustra el refuerzo y la fase de las olas. En este caso, las ondas se generan a partir de dos puntos centrales mediante barras verticales que oscilan hacia arriba y hacia abajo con la misma frecuencia y amplitudes. Esto genera dos patrones de ondas circulares que chocan cuando las crestas de las olas se encuentran. Si las ondas se generan a la misma frecuencia, se refuerzan entre sí porque están en fase. Si chocan fuera de fase, desaparecen la energía del otro. Estas cacerolas de agua se proyectan en el piso una historia más abajo para que las olas se puedan observar fácilmente.

El patrón de difracción de dos rendijas por una onda plana se ilustra con un GIF animado en una página de Wikipedia:

Experimento de doble rendija – Wikipedia

Desplácese hacia abajo de la página hasta que vea un cuadrado verde con dos patrones de ondas circulares en forma de abanico para ver los nodos. Ese GIF animado está ilustrando el concepto general de interacción de onda alcanzado por las matemáticas, que no entiendo, en este caso. Ofrezco la animación verde para mostrarle lo que ve en los cuerpos de agua del mundo real cuando se lleva a cabo el experimento.

Las ondas de radio invisibles y las ondas de sonido exhiben el mismo fenómeno de refuerzo cuando están en fase. Si los cables de los altavoces estéreo no están conectados de la misma manera en los bornes rojos y negros del altavoz y el receptor estéreo, el sonido de los altavoces saldrá de la fase. El sonido no sonará tan fuerte como cuando están cableados correctamente. Los conos de los altavoces se mueven juntos en fase para generar ondas de sonido en fase cuando se conectan correctamente. Debe colocar la cabeza equidistante de ambos altavoces para escuchar fácilmente la diferencia. Muchas conexiones de altavoces nuevos usan conectores que eliminan la conexión incorrecta de los cables de los altavoces, por lo que es posible que no pueda ejecutar este experimento. Las frecuencias bajas, que tienen más potencia que las frecuencias I, son más fáciles de detectar cuando están fuera de fase. La otra cosa que notará es que la música o la voz suena bastante delgada y espacial. Probablemente hayas notado que cuando todo está conectado correctamente, algunos sonidos suenan como si fueran frontales y centrales. Esas señales sonarían delgadas y espaciales si los altavoces no están conectados en fase.

Por cierto, una vez experimenté el refuerzo de olas en el mundo real. Viajaba en un bote pequeño y entraba al lago Michigan desde el río Calumet. Nos encontramos con grandes olas de 6 pies. Estábamos dentro de un rompeolas. Nos aventuramos fuera del rompeolas y esperábamos ver olas aún más grandes. Sin embargo, el agua se volvió mucho menos dinámica. Las olas eran lineales y no tan altas. Mi opinión sobre esto es que las olas que ingresan al rompeolas interactuaban con las olas reflejadas que rebotaban en las paredes del mar en la costa. Cuando los dos frentes de onda chocaron en ángulo entre sí, formaron nodos a los que me refería como hinchazones. Esto fue inesperado y nunca lo olvidaré porque nuestro pequeño bote se voló en el aire hasta que reducimos la velocidad después de estrellarse en la parte superior del siguiente nodo como un gran bache en el camino.

Básicamente, cuando dos ondas tienen la misma longitud y frecuencia de onda, y oscilan con ellas superpuestas por completo, se llamaría “en fase”. Si una onda oscila ligeramente por delante de la otra, o viceversa, se llamaría “antifase”, y la distancia entre ellas se llama “diferencia de fase”.

Piensa en las olas como dos tipos corriendo a la misma velocidad. Si corren paralelos entre sí en el mismo nivel todo el tiempo, entonces están en fase. Si uno está un poco por delante del otro, y todavía están corriendo a la misma velocidad, entonces serían antifase.

Aquí hay una foto para aclarar más las cosas.

(Las primeras dos ondas están en fase una con la otra, y esas dos ondas que se encuentran entre sí crearían la tercera ola. Las ondas cuarta y quinta están en antifase entre sí, y crearían la sexta ola si se encuentran.

Las porciones de las olas que están en fase se agregarán entre sí a medida que pasan entre sí, como la parte de una ola oceánica sobre el nivel del mar que se agrega a una ola breve y más alta. Las porciones fuera de fase se restan entre sí, como la parte alta de una ola que cruza la parte baja de otra ola y produce brevemente un punto que está al nivel del mar.

Cuando tiene dos fuentes de ondas estacionarias, las ondas de cada fuente interactuarán en lo que se llama un patrón de interferencia. Dos rayos láser que se cruzan producen regiones brillantes y oscuras. El sonido de dos altavoces puede producir regiones más silenciosas y regiones más ruidosas.

Interferencia (propagación de ondas) – Wikipedia

Además de todas las buenas respuestas a continuación … también están los términos interferencia constructiva y destructiva; al agregar las ondas, el resultado es mayor o menor que uno de ellos …

Matemáticamente, en fase significa que el ángulo de fase de dos ondas es el mismo, o están en progresión aritmética, con la diferencia común de 2pi, mientras que fuera de fase hace que la diferencia en el ángulo de dos fases sea 180 grados, o 2 n pi agregado a 180 grados. Ahora, lo que esto significa, físicamente, es que, si tomas las partículas correspondientes de dos ondas, si están en fase, entonces se mueven con la misma velocidad, al mismo tiempo, al mismo lugar. Si están fuera de fase, están haciendo lo contrario.

Para que quede más claro, si están en fase, entonces las olas subirán juntas y bajarán juntas. Si las olas se suman, entonces dan una ola más grande, y si están fuera de fase, cuando una baja, la otra sube, y cuando se suman, obtienes una onda más débil / más pequeña.

Iba a responder con un diagrama, pero luego descubrí que un buen diagrama ya está disponible en la Web ( http://mcat-review.org/waves-per …):