Per la matematica completa, puoi cercare "diffrazione" e "Principio di Huygens", ma qui posterò solo una rapida osservazione che è sufficiente per ottenere una buona intuizione fisica.

Supponi di considerare le onde d'acqua e immagina di essere seduto dietro la barriera nel "porto" (nella parte inferiore del tuo diagramma), a guardare le onde che si avvicinano da "in mare" (cioè la parte superiore del tuo diagramma) . Quando le onde raggiungono la "bocca del porto" (cioè la piccola apertura nel diagramma) l'acqua viene fatta salire e scendere. Quindi c'è quest'acqua che ondeggia su e giù nella piccola apertura. Ora anche la superficie dell'acqua nelle vicinanze ondeggerà su e giù, non è vero? E le increspature si diffonderanno da lì. Non importa in quale direzione consideri: le onde si diffonderanno nel "porto" perché l'acqua alla foce del porto si sta muovendo.

Da questo modo di pensare, inizi a chiederti perché le onde in mare siano così dritte! In definitiva è perché in quel caso hai l'acqua che oscilla lungo tutta una linea lunga, e quindi l'acqua lungo quella linea lunga viene fatta muovere in sincronia.

Come ho detto, questa non è una risposta matematica completa, ma solo un tentativo di darti un'intuizione sulla fisica.

La prima cosa da capire è che le onde sembrano viaggiare solo. Ma quando guardi un pesce nell'acqua, diventa chiaro che l'acqua scorre solo avanti e indietro. Le onde si verificano perché i movimenti dell'acqua non sono tutti sincronizzati, né potrebbero esserlo - come farebbero tutte le molecole d'acqua a sapere di invertirsi contemporaneamente? Quindi, quando hai molecole d'acqua che viaggiano in direzioni opposte >> ^ << non c'è posto dove andare se non su. Questo produce la cresta dell'onda. E quando un po 'd'acqua inverte localmente la direzione, la cresta si sposta> ^ <<<.

Ora sappiamo che le onde sono davvero un effetto locale. Ciò significa che l'onda all'interno della fessura non ha memoria da dove provenga. E questo significa anche che non ricorda in quale direzione avrebbe bisogno di viaggiare. Tutte le direzioni sono possibili.

Ora, se le onde non hanno memoria, come fanno a "sapere" come viaggiare in linea retta vicino alla spiaggia? Beh, non è proprio quello che succede. Le creste delle onde viaggiano ortogonalmente alle linee di cresta. Nelle fessure sottili, dove non c'è più una linea di cresta, questo non ha più senso, ed è per questo che si ottiene la diffrazione.

Puoi vedere come questo ha senso quando guardi le fessure più larghe. Nel mezzo, c'è una linea di cresta ben definita e ottieni ancora il modello dritto. Ma su entrambi i bordi si ottengono gli effetti di diffrazione. Questo sfilaccia i bordi delle linee di cresta, rendendole progressivamente smistate, fino a scomparire del tutto. Dopodiché, ottieni un modello complesso di picchi isolati.

"Perché le onde sono dritte?" è la prima domanda.

Cominciamo con un modello di onde in cui le particelle non hanno molta energia cinetica. Hanno solo energia potenziale.

Ogni luogo, se ha meno energia di un punto adiacente, ruba 1 unità di energia da esso.

Quindi, se iniziamo con:

  00000
00000
00900
00000
00000
 

segno di spunta successivo:

  00000
01110
01110
01110
00000
 

segno di spunta successivo:

  0000000
0.111.0
0100010
0101010
0100010
0.111.0
0000000

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

dove . è un'unità frazionaria di energia.

e vediamo un modello molto semplice di "onda circolare" proveniente da un punto.

Ora guarda cosa succede quando abbiamo un fronte d'onda (presumo che le linee si spengano "per sempre" a sinistra ea destra, ma c'è un muro in alto).

  0000000000000
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
0000000000000
1111111111111
0000000000000
0000000000000
0000000000000

0000000000000
4444444444444
0000000000000
4444444444444
0000000000000
1111111111111
0000000000000
0000000000000

3333333333333
0000000000000
2222222222222
0000000000000
3333333333333
0000000000000
1111111111111
0000000000000
 

ehi guarda, onde. (Ho fatto un po 'di arrotondamento) con un po' di "sbattimento" iniziale mentre rimbalza sul "muro" in alto.

Quindi supponi di avere un mucchio di onde che fanno salire e scendere un buco in un muro:

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

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

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

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

perché non esiste una direzione intrinseca all'onda, solo su e giù, induce un'onda circolare nel punto di partenza.

Essendo più matematico, un'onda lineare è solo un mucchio di onde circolari. Prendi 5 copie di questo:

  00000
00000
00900
00000
00000
 

compensa di uno orizzontalmente e ottieni:

  000000000
000000000
009999900
000000000
000000000

000000000
013333310
030000030
013333310
000000000


012333210
100000001
102000201
100000001
012333210
 

perché la "gobba" di 9 adiacenti a ogni 9 rallenta l'afflusso.

Un'onda fisica reale è più complessa di questo semplice modello di cella temporale discreta. Ma l'idea di base; che "gobbe" spingono via l'acqua e "voragini" la tirano dentro, e che c'è abbastanza slancio da causare un superamento - risultato in un effetto simile. Le onde lineari sono il risultato di "gobbe" e "golfi" adiacenti lineari. Quando raggiungi una barriera con un buco, le "gobbe adiacenti" lineari si allontanano e l'onda diventa più circolare poiché cade sia "in avanti" che "lateralmente", invece di essere supportata sui lati da altre "gobbe" d'acqua.

La tua apertura consente il passaggio solo di un segmento molto breve dell'onda piana in arrivo.Man mano che l'apertura si riduce, il segmento assomiglia sempre di più a una sorgente puntiforme.Una sorgente puntiforme emette onde sferiche come mostrato nella figura in basso a destra.(questo è quasi intuitivamente ovvio a causa della simmetria: quale altra forma d'onda emetterebbe un punto?).

Questo di solito viene spiegato in modo più formale tramite diffrazione:

https://isaacphysics.org/concepts/cp_diffraction

"La diffrazione è la diffusione delle onde mentre passano attraverso un'apertura o intorno agli oggetti. ... In un'apertura con larghezza inferiore alla lunghezza d'onda, l'onda trasmessa attraverso l'apertura si diffonde tutt'intorno e si comporta come un puntofonte di onde (si estendono di seguito) "

Una rapida risposta sarebbe che non stanno cambiando direzione. Ogni punto del piano è la sorgente di una singola onda.Le onde singole si espandono in cerchio, ma quando metti insieme molte onde singole le somme e ottieni un'onda piana. L'apertura, se abbastanza piccola, blocca semplicemente le altre onde permettendo a una sola di passare e quindi riprende forma circolare.

Questa è una semplificazione della diffrazione e del principio di huygens, ma potrebbe aiutarti a farti un'idea.

Tausif ha commentato:

Penso che OP voglia sapere perché si verifica la diffrazione e perché le onde non continuano semplicemente come indicato nel diagramma.

In qualsiasi mezzo elastico, un effetto di pressione non solo porta allo spostamento del materiale in questa direzione, ma anche allo spostamento laterale.(In un mezzo anelastico il materiale viene semplicemente fustellato.) Quindi l'attesa onda longitudinale è sempre accompagnata da un'onda trasversale.

Questa onda trasversale si diffonde in mezzi isotropi come un'onda sferica.L'ostacolo con la fenditura che limita l'isotropia e al posto di un'onda sferica si ottiene solo un'onda sferecale.

La tua immagine iniziale è incompleta nel descrivere una versione più approfondita delle onde.Le onde in realtà non sono un mucchio di raggi paralleli che viaggiano in linea retta lungo la pagina mentre mostri.Quello che c'è è una sovrapposizione di sorgenti puntiformi di energia e una singola fonte puntiforme di energia produrrà un'onda circolare.Il tuo fronte d'onda è costituito da un numero quasi infinito di queste sorgenti puntiformi ed è la sovrapposizione delle onde da queste sorgenti puntiformi che si combinano per creare un fronte d'onda uniforme.Quindi, quando l'onda incontra un'apertura, si comporta come la sorgente puntiforme che è e il risultato è proprio come agirebbe una sorgente puntiforme di energia, ovvero un'onda circolare.

Nell'apertura l'onda non è più piana: è il prodotto di una funzione retta, che è l'unità nell'apertura e lo zero al di fuori di essa, e un'onda piana.È possibile controllare quali vettori d'onda sono presenti trasformando questo prodotto in Fourier.Il risultato è una convoluzione della trasformata del retto, la cosiddetta funzione sinc e dell'onda piana.Il messaggio è che il risultato è una somma di onde piane di direzione variabile.Per un'apertura puntiforme tutte le onde piane sono presenti con uguale ampiezza e fase, cioè un'onda sferica.Purtroppo questo richiede un po 'di matematica elementare per capire.