8.1.1 Was ist eine Welle?



 

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Was ist eine Welle? (+)
Oszillierende Systeme können die Ausbreitung von Schwingungen im Raum bewirken. Die sich ergebenden Phänomene werden als Wellen bezeichnet. Wellen sind eine weit verbreitete, in verschiedenen Formen auftretende und im Detail komplexe Erscheinung.

Man unterscheidet prinzipiell zwischen mechanischen Wellen (Ausbreitung ist an ein Medium gebunden, dessen Partikel mechanisch oder durch Kräfte gekoppelt sind) und elektromagnetischen Wellen (Ausbreitung ist auch im Vakuum möglich). Der Auslöser einer mechanischen Welle ist eine Störung des Mediums, die sich dann räumlich im Medium ausbreitet. Dabei wird keine Materie transportiert, sondern Energie. Alle Partikel des Mediums führen eine Schwingung um ihre Ruheposition aus, die sich räumlich nicht verschiebt.

Es gibt zwei grundlegend verschiedene Ausbreitungsformen:
Transversale Welle: Auslenkung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
././Physikkurs/wellen_welle/images/transversale_welle.png
Abbildung 8.1.1: Transversale Welle (C)

Beispiel 8.1.1  
Ein gespanntes Seil wird auf der linken Seite kurz ausgelenkt. Man kann sich das Seil aus vielen Massenelementen zusammengesetzt vorstellen, die miteinander gekoppelt sind. Die Störung (Auslenkung) wird mit konstanter Geschwindigkeit weitergegeben.
Longitudinale Welle: Auslenkung in Ausbreitungsrichtung
././Physikkurs/wellen_welle/images/longitudinal_welle.png
Abbildung 8.1.2: Longitudinal Welle (C)

Beispiel 8.1.2  
Eine Lok wird an einen Güterzug gekoppelt und dabei der Puffer (Feder) zusammengedrückt. Diese Störung (Auslenkung) wird an die benachbarten Wagons weitergegeben und breitet sich mit konstanter Geschwindigkeit längs des Zuges aus.
Ausbreitungsgeschwindigkeit
Bei einer Welle breitet sich eine Störung (z.B. die Auslenkung eines Teilchens) mit einer konstanten Geschwindigkeit c aus. Der Betrag dieser Geschwindigkeit hängt vom Medium ab, in dem sich die Welle bewegt.
Klassifizierung von Wellen bzgl. ihrer Dimension:
1-dimensionale Welle

Wellenfront ist ein Punkt

Beispiel: Seilwelle (z.B. Gitarrensaite)
././Physikkurs/wellen_welle/images/1dimensionale_welle.png (C)  
2-dimensionale, ebene Welle

Wellenfront ist eine gerade Linie

Beispiel: Wasserwelle nach linienförmiger Anregung (z.B. Wellenbad)
././Physikkurs/wellen_welle/images/2dimensionale_welle.png (C)  
2-dimensionale, kreisförmige Welle

Wellenfront ist eine kreisförmige Linie

Beispiel: Wasserwelle nach punktförmiger Anregung (z.B. Steinwurf)
././Physikkurs/wellen_welle/images/2dimensionale_kreisfoermige_welle.png (C)  
3-dimensionale, ebene Welle

Wellenfront ist eine ebene Fläche

Beispiel: Ebene Schallwelle in einem Kanal/Rohr
././Physikkurs/wellen_welle/images/3dimensionale_ebene_welle.png (C)  
3-dimensionale, kugelförmige Welle

Wellenfront ist eine kugelförmige Fläche

Beispiel: Licht oder Schall bei Ausbreitung von einer punktförmigen Quelle
././Physikkurs/wellen_welle/images/3dimensionale_kugelfoermige_welle.png (C)


Im Zusammenhang mit allen Wellen treten vielfältige Effekte auf, von denen im Folgenden zunächst einige nur aufgezählt werden:
  • Interferenz in Raum und Zeit,

  • Amplituden- und Frequenzmodulation,

  • Wellenzüge,

  • Stehende Wellen, Schwingungsmoden, Eigenfrequenzen,

  • Normalschwingungen,

  • Reflexion, Brechung, Beugung,

  • Bugwellen, Stoßwellen, Oberflächenwellen etc.



Auf einige dieser Effekte wird später genauer eingegangen.