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Wellen
Eine Welle ist in der Physik ein räumlich und zeitlich veränderliches Feld, das Energie, jedoch keine Materie, durch den Raum transportiert.
Unterschieden werden mechanische Wellen, die stets an ein Medium gebunden sind, und Wellen, die sich auch im Vakuum ausbreiten können (beispielsweise elektromagnetische Wellen, Materiewellen, Gravitationswellen).
Das Grundprinzip, dem jede Welle unterliegt, ist die (nicht notwendigerweise periodische) Umwandlung (Schwingung) zweier physikalischer Größen ineinander. Bei mechanischen Wellen sind dies im Allgemeinen kinetische Energie und potentielle Energie, bei elektromagnetischen Wellen Magnetfeld und elektrisches Feld. Direkt wahrnehmbare Wellen sind zum Beispiel Schallwellen, Wasserwellen und Licht ...
Mechanische Wellen
Kennzeichnung mechanischer Wellen
Schwingungsfähige Körper oder Teilchen, die man auch als Schwinger oder Oszillatoren bezeichnet, können durch Kopplung mit anderen Körpern oder Teilchen Energie erhalten und so selbst zu Schwingungen angeregt werden. => Eine mechanische Welle ist die Ausbreitung einer mechanischen Schwingung im Raum.
Bei Wellen ändern sich, ähnlich wie bei Schwingungen, physikalische Größen periodisch, z. B. die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die potenzielle oder die kinetische Energie. Das ist aber nicht nur zeitlich periodisch der Fall. Da sich der Schwingungszustand im Raum ausbreitet, ändern sich physikalische Größen auch räumlich periodisch. => Eine Welle ist eine zeitlich und räumlich periodische Änderung physikalischer Größen.
Beispiele für mechanische Wellen sind Wasserwellen, Schallwellen oder Erdbebenwellen (Bild 1). Daneben gibt es auch elektromagnetische Wellen, die durch die obige Definition ebenfalls mit erfasst werden. Werden Schwinger miteinander gekoppelt und wird ein Schwinger angeregt, dann breitet sich der Schwingungszustand aus: => Eine Welle entsteht.
Entstehung mechanischer Wellen
Damit eine mechanische Welle entsteht, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:
- Es müssen schwingungsfähige Körper bzw. Teilchen vorhanden sein.
- Zwischen den Körpern bzw. Teilchen müssen Kräfte wirken; es muss also eine kräftemäßige Kopplung vorhanden sein.
- Mindestens einer der Körper bzw. Teilchen muss zu Schwingungen angeregt werden, d. h. es muss Energie
zugeführt werden.
Das Entstehen einer Welle lässt sich gut am Beispiel gekoppelter Federschwinger (Bild 2) oder gekoppelter Fadenpendel verfolgen: Regt man einen Schwinger an, so erfolgt durch die Kopplung der Schwinger eine Energieübertragung auf den nächsten Schwinger, von diesem wieder auf den nächsten usw. Die Schwingung breitet sich im Raum aus. Mit der sich ausbreitenden Schwingung erfolgt eine Energieübertragung. Das ist ein wichtiges Kennzeichen mechanischer Wellen. Allgemein gilt:
=> Mit einer mechanischen Welle wird Energie übertragen, jedoch kein Stoff transportiert.
Besonders deutlich zeigt sich dieser Energietransport bei Schallwellen und bei Wasserwellen: Durch Schallwellen wird Energie von einer Schallquelle zu unseren Ohren übertragen. Wir nehmen Töne, Klänge, Geräusche oder einen Knall wahr. Die Energie von Wasserwellen kann man besonders bei Sturm am Meer feststellen.
Unterscheidung mechanischer Wellen nach dem Verhältnis von Schwingungsrichtung und Ausbreitungsrichtung
Arten mechanischer Wellen
Schwingungszustände können in unterschiedlicher Richtung verlaufen und sich in verschiedener Weise ausbreiten. Danach unterscheidet man verschiedene Arten von mechanischen Wellen. Nach dem Verhältnis von Schwingungsrichtung der einzelnen Schwinger und Ausbreitungsrichtung der Welle zueinander unterscheidet man zwischen Längswellen (Longitudinalwellen), Querwellen (Transversalwellen) und Kreiswellen (Bild 3).
Bei Längswellen oder Longitudinalwellen (Bild 3) stimmen die Schwingungsrichtung der einzelnen Schwinger und die Ausbreitungsrichtung überein. Beispiele für Longitudinalwellen sind Schallwellen und ein Teil der Erdbebenwellen, die sogenannten P-Wellen. Ihr Zustandekommen in Gasen und Flüssigkeiten lässt sich damit erklären, dass in diesen Stoffen nur sehr geringe Kohäsionskräfte wirken und die schwingungsfähigen Teilchen vorrangig über Stöße wechselwirken. Damit kann die Ausbreitung eines Schwingungszustandes nur in Schwingungsrichtung erfolgen.
Bei Querwellen oder Transversalwellen (Bild 3) verlaufen Schwingungsrichtung und Ausbreitungsrichtung senkrecht zueinander. Beispiel dafür sind Seilwellen und ein Teil der Erdbebenwellen, die sogenannten S-Wellen. Solche Transversalwellen entstehen vorrangig in Festkörpern. Ursache dafür sind die starken Kohäsionskräfte, die zwischen den Teilchen dieser Körper wirken und die auch transversale Bewegungen übertragen können.
Eine spezielle Form von Wellen sind Kreiswellen, bei denen sich die schwingungsfähigen Teilchen auf Kreisbahnen bewegen (Bild 3). Für das wellenförmige Erscheinungsbild ist die Bewegungskomponente senkrecht zur Ausbreitungsrichtung entscheidend. Man spricht deshalb mitunter auch von speziellen Transversalwellen. Ein typisches Beispiel für Kreiswellen sind Wasserwellen. Ursachen für das Zustandekommen solcher Wellen sind die wirkenden Kohäsionskräfte (Oberflächenspannung) in Verbindung mit der Schwerkraft.
Unterscheidung mechanischer Wellen der Art ihrer Ausbreitung
Nach der Art der Ausbreitung im Raum unterscheidet man bei mechanischen Wellen zwischen linearen Wellen, ebenen Wellen und räumlichen Wellen (Bild 4).
Lineare Wellen sind dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wellen nur in einer Raumrichtung ausbreiten. Regt man z.B. einen Stab zu Längsschwingungen an, so breiten sich diese als Longitudinalwellen durch den Stab hindurch aus.
Ebene Wellen breiten sich zweidimensional aus, wie das z.B. bei Wasserwellen auf der Oberfläche eines Teiches der Fall ist. Man spricht deshalb auch von Oberflächenwellen.
Räumliche Wellen sind dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schwingungszustand von einer Quelle aus in alle Raumrichtungen ausbreitet, also eine dreidimensionale Ausbreitung erfolgt. Das ist bei Schallwellen, die von einer Schallquelle ausgehen, häufig der Fall.
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