Pour les calculs complets, vous pouvez rechercher «diffraction» et «principe de Huygens», mais ici je vais juste poster une observation rapide qui suffit pour avoir une bonne intuition physique.

Supposons que nous considérions les vagues d'eau, et imaginez-vous assis derrière la barrière dans le «port» (dans la partie inférieure de votre diagramme), regardant les vagues s'approcher de «en mer» (c'est-à-dire le haut de votre diagramme) . Lorsque les vagues atteignent `` l'embouchure du port '' (c'est-à-dire la petite ouverture de votre diagramme), l'eau y est amenée à monter et descendre. Il y a donc cette eau qui monte et descend dans la petite ouverture. Maintenant, la surface de l'eau à proximité va aussi monter et descendre, n'est-ce pas? Et les ondulations se répandront à partir de là. Peu importe dans quelle direction vous considérez: les vagues se répandront dans le «port» parce que l'eau à l'embouchure du port bouge.

De cette façon de penser, vous commencez à vous demander pourquoi les vagues en mer sont si droites! En fin de compte, c'est parce que dans ce cas, vous avez de l'eau oscillante le long d'une longue ligne, et donc l'eau tout le long de cette longue ligne est amenée à se déplacer de manière synchronisée.

Comme je l'ai dit, ce n'est pas une réponse mathématique complète, juste une tentative de vous donner une certaine intuition sur la physique.

La première chose à réaliser est que seules les vagues semblent voyager. Mais quand vous regardez un poisson dans l'eau, il devient clair que l'eau ne fait que faire des va-et-vient. Les vagues se produisent parce que les mouvements de l'eau ne sont pas tous synchronisés, ni ne pourraient l'être - comment toutes les molécules d'eau sauraient-elles s'inverser en même temps? Donc, quand vous avez des molécules d'eau qui voyagent dans des directions opposées >> ^ <<, il n'y a nulle part où aller sinon vers le haut. Cela produit la crête de la vague. Et quand un peu d'eau change localement de direction, la crête se déplace> ^ <<<.

Nous savons maintenant que les ondes sont vraiment un effet local. Cela signifie que la vague à l'intérieur de la fente n'a pas de mémoire d'où elle vient. Et cela signifie qu'il ne se souvient pas non plus dans quelle direction il devrait voyager. Toutes les directions sont possibles.

Maintenant, si les vagues n'ont pas de mémoire, comment "savent-elles" comment se déplacer en ligne droite près de la plage? Eh bien, ce n'est pas vraiment ce qui se passe. Les crêtes des vagues se déplacent orthogonalement aux lignes de crête. Dans les fentes fines, là où il n'y a plus de ligne de crête, cela n'a plus de sens, et c'est pourquoi vous obtenez la diffraction.

Vous pouvez voir à quel point cela a du sens lorsque vous regardez des fentes plus larges. Au milieu, il y a une ligne de crête bien définie et vous obtenez toujours le motif droit. Mais aux deux bords, vous obtenez les effets de diffraction. Cela efface les bords des lignes de crête, les rendant progressivement plus trieuses, jusqu'à ce qu'elles disparaissent complètement. Après cela, vous obtenez un modèle complexe de pics isolés.

"Pourquoi les vagues sont-elles droites?" est la première question.

Commençons par un modèle d'ondes où les particules n'ont pas beaucoup d'énergie cinétique. Ils ont juste de l'énergie potentielle.

Chaque emplacement, s'il a moins d'énergie qu'un endroit adjacent, lui vole 1 unité d'énergie.

Donc, si nous commençons par:

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00000
00900
00000
00000
 

prochaine graduation:

  00000
01110
01110
01110
00000
 

Coche suivante:

  0000000
0,111,0
0100010
0101010
0100010
0,111,0
0000000

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

où . est une unité fractionnaire d'énergie.

et nous voyons un modèle très simple d'une "onde circulaire" venant d'un point.

Maintenant, regardez ce qui se passe quand nous avons un front d'onde (je suppose que les lignes s'éteignent "pour toujours" à gauche et à droite, mais il y a un mur en haut).

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9999999999999
0000000000000
0000000000000
0000000000000
0000000000000
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0000000000000

3333333333333
3333333333333
3333333333333
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0000000000000
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3333333333333
3333333333333
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3333333333333
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3333333333333
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5555555555555
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1111111111111
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0000000000000
0000000000000

0000000000000
4444444444444
0000000000000
4444444444444
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1111111111111
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0000000000000

3333333333333
0000000000000
2222222222222
0000000000000
3333333333333
0000000000000
1111111111111
0000000000000
 

hey regarde, vagues. (J'ai fait quelques arrondis) avec un "sloshing" initial alors qu'il rebondit sur le "mur" en haut.

Supposons donc que vous ayez un tas de vagues faisant monter et descendre un trou dans un mur:

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

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

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

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

parce qu'il n'y a pas de direction intrinsèque à la vague, juste de haut en bas, elle induit une onde circulaire au point de départ.

Étant plus mathématique, une onde linéaire n'est qu'un tas d'ondes circulaires. Prenez 5 copies de ceci:

  00000
00000
00900
00000
00000
 

décalé de un horizontalement et vous obtenez:

  000000000
000000000
009999900
000000000
000000000

000000000
013333310
030000030
013333310
000000000


012333210
100000001
102000201
100000001
012333210
 

parce que la "bosse" de 9 à côté de chaque 9 ralentit l'afflux.

Une onde physique réelle est plus complexe que ce simple modèle de cellule temporelle discrète. Mais l'idée de base; que les "bosses" repoussent l'eau et les "gouffres" la tirent vers l'intérieur, et qu'il y a suffisamment d'élan pour provoquer un dépassement - aboutissent à un effet similaire. Les ondes linéaires sont le résultat de «bosses» et de «golfes» linéaires adjacents. Lorsque vous atteignez une barrière avec un trou, les "bosses adjacentes" linéaires disparaissent et la vague devient plus ciculaire lorsqu'elle tombe à la fois "vers l'avant" et "sur le côté", au lieu d'être soutenue sur les côtés par d'autres "bosses" d'eau.

Votre ouverture ne laisse passer qu'un très court segment de l'onde plane entrante.Au fur et à mesure que l'ouverture devient plus petite, le segment ressemble de plus en plus à une source ponctuelle.Une source ponctuelle émet des ondes sphériques comme vous le montrez dans votre figure inférieure droite.(c'est presque intuitivement évident à cause de la symétrie - quelle autre forme d'onde un point émettrait-il?).

Ceci est généralement expliqué plus formellement par diffraction:

https://isaacphysics.org/concepts/cp_diffraction

"La diffraction est l'étalement des ondes lorsqu'elles passent à travers une ouverture ou autour d'objets. ... Dans une ouverture dont la largeur est inférieure à la longueur d'onde, l'onde transmise à travers l'ouverture se propage tout autour et se comporte comme un pointsource des vagues (elles s'étalent ci-dessous) "

Une réponse rapide serait qu'ils ne changent pas de direction. Chaque point du plan est la source d'une seule onde.Les ondes simples s'étendent en cercles, mais lorsque vous assemblez plusieurs ondes simples, vous les additionnez et obtenez une onde plane. L'ouverture, si elle est assez petite, bloque simplement les autres ondes permettant à une seule de passer et reprend ainsi sa forme circulaire.

Ceci est une simplification de la diffraction et du principe de Huygens mais cela pourrait vous aider à vous faire une idée.

Tausif a commenté:

Je pense qu'OP veut savoir pourquoi la diffraction se produit et pourquoi les ondes ne continuent pas simplement comme elles l'ont indiqué dans le diagramme.

Dans tout milieu élastique, un effet de pression conduit non seulement à un déplacement de matière dans cette direction, mais également à un déplacement latéral.(Dans un milieu inélastique, le matériau est simplement poinçonné.) Ainsi, la onde longitudinale attendue est toujours accompagnée d'une onde transversale.

Cette onde transversale s'est propagée dans les milieux isotropes sous forme d'onde sphérique.L'obstacle avec la fente limitant l'isotropie et au lieu d'une onde sphérique on n'a qu'une onde sphérique.

Votre image initiale est incomplète pour décrire une version plus approfondie des vagues.Les vagues ne sont en fait pas un tas de faisceaux parallèles voyageant en lignes droites le long de la page comme vous le montrez.Ce qu'il y a, c'est une superposition de sources ponctuelles d'énergie et une seule source ponctuelle d'énergie produira une onde circulaire.Votre front d'onde est composé d'un nombre presque infini de ces sources ponctuelles et c'est la superposition des ondes de ces sources ponctuelles qui se combinent pour créer un front d'onde uniforme.Ainsi, lorsque l'onde arrive sur une ouverture, elle agit alors comme la source ponctuelle qu'elle est et le résultat est exactement comme une source d'énergie ponctuelle agirait, c'est-à-dire une onde circulaire.

Dans l'ouverture, l'onde ne nous planifie plus: elle est le produit d'une fonction rect, qui est l'unité dans l'ouverture et zéro à l'extérieur, et une onde plane.Vous pouvez inspecter les vecteurs d'ondes présents en transformant ce produit par Fourier.Le résultat est une convolution de la transformée du rect, la fonction dite sinc, et de l'onde plane.Le message est que le résultat est une somme d'ondes planes de direction variable.Pour une ouverture ponctuelle, toutes les ondes planes sont présentes avec une amplitude et une phase égales, c'est-à-dire une onde sphérique.Hélas, cela nécessite des mathématiques élémentaires pour comprendre.