Grundbegriffe und Beispiele zu mechanischen Wellen
Inhaltsverzeichnis
Was ist eine Welle?
Beispiele
Das ist eine Welle!
Es regnet (Video von fallenden Tropfen)
immer noch...
Eine Wasseroberfläche
La Ola (Simulation)
Stauwellen (Simulation)
Erdbebenwellen trafen SanFrancisco
und ihre Ausbreitung im Erdinneren
Eine Lärmschutzwand (Hängt der Lärm vom Wetter ab?)
- Schall
- elektro-magnetische Welle
- Licht (?)
- Gittarrensaite
Definition
Der Begriff ist nicht einfach zu fassen, aber als wesentliche Punkte 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.
Wichtigste Eigenschaften
Wellen werden an Hindernissen reflektiert. Wellen können in den Schattenraum eines Hindernisses eindringen. (Beugung) Wellen können sich überlagern. (Interferenz)
Begriffe
- Longitudinalwelle
- Eine Schallwelle ist eine Longitudinal- oder auch Druckwelle. Bei einer Longitudinalwelle schwingen die Teilchen in der Ausbreitungsrichtung der Welle.
- Transversalwelle
- Eine Wasserwelle ist eine Transversalwelle[1] . Bei einer Transversalwelle schwingen die Teilchen vertikal zur Ausbreitungsrichtung.
- Wellenträger
- So bezeichnet man den Gegenstand innerhalb dessen sich die mechanische Welle ausbreitet.
- 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 Welle
- In einer linearen Welle breitet sich die Welle nur längs einer Raumrichtung aus. Kugelwellen, Kreiswellen oder Zylinderwellen sind also keine linearen/ebenen Wellen. Ausserdem nimmt man lineare Wellen als zeitlich und räumlich unbegrenzt an. Sie haben also keinen Anfang und kein Ende und sind eine Idealisierung der Realität.
- harmonische Welle
- Bei dieser Welle sind alle Schwingungen harmonisch. Dies ist in der Natur nie exakt erfüllt. Vor allem bei größeren Amplituden der beteiligten Schwingungen, ähnlich dem Fadenpendel.
- 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
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Versuch: Seilwellen
Applet: Seilwelle
In diesem Applet wird eine Seilwelle simuliert. Man kann die Periodendauer und die Amplitude verändern.
Versuch: Magnetrollen
Versuch: Wellen in einer langen Feder
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
- Tropfen fallen lassen
Versuch: gekoppelte Pendel
Fußnoten
- ↑ Dies gilt nur bei kleinen Ampiltuden einer Wasserwelle, wenn im wesentlichen die Oberflächenspannung die Wasserteilchen koppelt (Kapillarwelle). Bei großen Amplituden koppelt die Schwerkraft die Teilchen und die Bewegung des Wassers wird komplexer (Schwerewellen).
