Grundbegriffe und Beispiele zu mechanischen Wellen

Was ist eine Welle?

Beispiele

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  Das ist eine Welle!

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  Es regnet

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  immer noch...

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  Eine Wasseroberfläche

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  La Ola (Simulation)

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  Stauwellen (Simulation)

• 

  Erdbebenwellen trafen SanFrancisco

• 

  und ihre Ausbreitung im Erdinneren

• Schall
• elektro-magnetische Welle
• Licht (?)
• Gittarrensaite

Definition

Der Begriff ist nicht einfach zu fassen, aber als wesentliche Eigenschaften kann man festhalten:

Eine Welle entsteht durch eine Schwingung, die mit anderen Schwingern gekoppelt ist 
und sich so ausbreiten kann.
Eine mechanische Welle transportiert Energie und Impuls ohne einen Massetransport.

Begriffe

Longitudinalwelle

Eine Schallwelle ist eine Longitudinalwelle. Bei einer Longitudinalwelle schwingen die Teilchen in die Ausbreitungsrichtung der Welle.

Transversalwelle

Eine Wasserwelle ist eine Transversalwelle. Bei einer Transversalwelle schwingen die Teilchen vertikal zur Ausbreitungsrichtung.

Wellenzug/Wellenpaket/Wellengruppe

Der Wellenzug ist die Störung, die "losgeschickt" wurde.

Phasengeschwindigkeit

Die Phasengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit mit der sich eine Phase in Schwingungsrichtung fortbewegt. (Z.B. Ein "Hochpunkt" der Störung.) (Im Unterschied dazu versteht man unter der Gruppengeschwindigkeit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der "Einhüllenden" des Wellenpakets. Die beiden Geschwindigkeiten unterscheiden sich nur dann, wenn die Phasengeschwindigkeit von der Frequenz abhängig ist. (Sogenannte Dispersion) )

Lineare/ebene Wellen

In einer linearen Welle sind alle Schwingungen harmonisch und die Welle breitet sich nur längs einer Raumrichtung aus. Kugelwellen, Kreiswellen oder Zylinderwellen sind also keine linearen Wellen. Ausserdem nimmt man lineare Wellen als zeitlich und räumlich unbegranzt an. Sie haben also keinen Anfang und kein Ende und sind eine Idealisierung der Realität.

Amplitude einer linearen Welle

Eine zeitlich und räumlich unbegrenzte Welle hat an jeder Stelle im Raum eine Amplitude. Sind diese alle gleich, wie bei einer linearen Welle, kann man auch von der Amplitude der Welle sprechen.

Frequenz einer Welle

Wenn alle beteiligten Schwingungen mit der gleichen Frequenz schwingen, kann man auch von der Frequenz der Welle sprechen. Bei einer linearen Welle ist dies der Fall.

Wellenlänge

Die Wellenlänge ist der kürzeste Abstand zwischen zwei Schwingungen, die phasengleich schwingen.

Physikalische Fragestellungen

• Wovon hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit ab? ____(Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle)
• Wovon hängt die Wellenlänge ab? __________________(Wellenlänge, Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit)
• Wie ändert sich die Amplitude im Raum? ____________(Energietransport einer Welle (Intensität))
• Was passiert, wenn Wellen aufeinandertreffen? _______(Interferenz; Überlagerung von Wellen)
• Was passiert, wenn die Welle auf ein Hindernis trifft? __(Reflektion und Brechung; Beugung an Öffnungen und Hindernissen)

Versuche

Versuch: La Ola-Welle

Wir stehen im Kreis und versuchen uns an La Ola-Wellen. Zuerst legen wir fest wer beginnt und in welche Richtung die Welle laufen soll. Die Hände sind gestreckt und können sich nach oben oder unten bewegen. (Aufstehen müssen wir nicht.)

Am einfachsten ist ein fortlaufender Berg. Eine komplette Wellenlänge mit Berg und Tal ist schon recht schwierig weiterzuleiten. Und der Versuch einer linearen unbegrenzten Welle bringt recht schnell Chaos ins Ganze :)

Man kann auch noch versuchen eine schnelle oder langsame Welle laufen zu lassen. Auch verschiedene Wellenlängen kann man erzeugen.

Versuch: Die Wellenmaschine

Die kleine Wellenmaschine.

Die große Wellenmaschine mit Anhaltemöglichkeit (roter Hebel rechts).

Versuch: Seilwellen

Spiralfedern, mit denen man Seilwellen beobachten kann.

Applet: Seilwelle

In diesem Applet wird eine Seilwelle simuliert. Man kann die Periodendauer und die Amplitude verändern.

Versuch: Magnetrollen

Magnetrollen auf einer Schiene.

Versuch: Wellen in einer langen Feder

Lange Spiralfeder, nicht verknotet ;)

Mit einer großen Feder kann man Transversalwellen und Longitudinalwellen beobachten. Auch deren Reflektion und verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Federspannung.

Applet: Eine Schallwelle

In diesem Applet von wird die Dichteverteilung und die Bewegung der Luft hinter einem Lautsprecher simuliert. Man kann die Frequenz, die Amplitude und die Schallgeschwindigkeit einstellen.

Versuch: Die Wellenwanne

Eine Wellenwanne für den Overheadprojektor.

• Tropfen fallen lassen

Versuch: gekoppelte Pendel

Datei:Gekoppelte Pendel.jpg

Gekoppelte Pendel, hier ohne Gewichte