Mechanik

Mechanische Wellen

Wellen

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Wellen

In unserer Umwelt treten Wellen in vielerlei Bereichen auf. Die Bilder zeigen einige Beispiele für Wellen.

La Ola im Stadion
Wasserwelle
elektromagnetische Wellen
aus dem Weltraum
Schallwellen aus dem Horn

Definition einer Welle

Eine - zugegeben etwas abstrakte - Definition der Welle lautet:
Eine Welle ist eine räumliche und zeitliche Zustandsänderung physikalischer Größen, die meist nach bestimmten periodischen Gesetzmäßigkeiten erfolgt.

5 Kugel-Feder-Modell als Modell für ein Medium, in dem sich Wellen ausbreiten können
Mechanische Wellen

Die Ausbreitung mechanischer Wellen erfordert einen Träger in dem sich schwingungsfähige Teilchen befinden.  Träger können dabei feste, flüssige oder gasförmige Körper sein.

Weiter müssen diese schwingungsfähigen Teilchen untereinander eine Kopplung aufweisen, so dass sich die von außen einwirkende Störung über das System fortpflanzen kann.

Zur Veranschaulichung arbeitet man oft mit dem sogenannten Kugel-Feder-Modell (vgl. Abb. 5). Die Kugeln symbolisieren die schwingungsfähigen Teilchen, die Federn deuten auf die Kopplung zwischen den Teilchen hin. Der Einfachheit halber zeichnet man statt der Federn häufig nur Striche zwischen den Teilchen.

6 Ausbreitung einer Welle und Ausbreitungsgeschwindigkeit
Ausbreitung einer Welle

Ein Erreger zwingt ein Teilchen des Körpers aus seiner Ruhelage. Aufgrund seiner Trägheit übernimmt das nächste Teilchen etwas zeitversetzt diese Störung, es entsteht eine Phasenverschiebung \(\Delta \varphi \) zwischen den Bewegungen benachbarter Teilchen. Auf diese Weise pflanzt sich die Störung durch den Körper fort.

Die Geschwindigkeit mit der sich die Störung durch den Körper bewegt nennt man Ausbreitungsgeschwindigkeit \(c\).

Sehr häufig wird das von außen angeregte Teilchen zu einer Sinusschwingung angeregt. Man bezeichnet die daraufhin entstehende Welle als harmonische Welle.

Mit der Ausbreitung der Welle ist ein Energietransport, aber kein Materietransport verbunden. Diese Ausbreitung der Energie in den Raum bei einer Welle ist ein wesentlicher Unterschied zur Schwingung, bei der die Energie nur zwischen zwei Orten hin- und herpendelt.

Wellenfronten und Wellenstrahlen

 
 

Zwischen der erzwungenen Schwingung an einer bestimmten Stelle des Wellenfeldes und der Schwingung des Erregers besteht eine Phasendifferenz. Alle Punkte, die gleich weit vom Erregerzentrum entfernt sind, schwingen in Phase.

Benachbarte Punkte gleicher Phase bilden die sogenannte Wellenfront.

Senkrecht zu den Wellenfronten verlaufen die Wellennormalen (man nennt sie auch Wellenstrahlen), welche die Ausbreitungsrichtung der Welle angeben.

Die Abb. 1 und 2 zeigen die Wellenfronten und die Wellenstrahlen bei zwei verschiedenen Typen von Wellen, den Kreis- und den ebenen Wellen.

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