Mechanische Wellen

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Wir wollen uns heute aus dem Gebiet Schwingungen und Wellen mit mechanischen Wellen beschäftigen. Wir lernen heute, was eine mechanische Welle ist, wie man ihre beiden Schwingungsarten unterscheidet, nämlich die Transversal- oder Querwelle und die Longitudinal- oder Längswelle. Und zum Schluss sehen wir uns noch an, was eigentlich eine stehende Welle ist. So, dann mal los. Was ist denn nun eine mechanische Welle? Fangen wir mal mit der Welle an. Welle nennt man eine Ausbreitung von Schwingungen durch den Raum. Dabei wird Energie, aber (und das ist wichtig) keine Materie transportiert. Rechts seht ihr zum Beispiel eine Animation einer Kreiswelle. Dieses Bild dürfte Euch auch bekannt vorkommen. So etwas seht ihr jedes Mal, wenn ihr einen Stein zum Beispiel in einen Teich schmeißt. Und das Wasser im Teich, das durch einen Steinwurf in Schwingungen gerät, ist auch schon ein gutes Beispiel für eine mechanische Welle. Denn die Besonderheit der mechanischen Welle ist, dass sie ein Übertragungsmedium braucht. Das heißt, sie braucht ein Material, das sie in Schwingung versetzt, während sie sich darin ausbreitet. Mechanische Wellen können sich also nicht im Vakuum verbreiten. Man unterscheidet Wellen in 2 verschiedene Schwingungstypen. Und die wollen wir uns in den nächsten beiden Kapiteln genauer ansehen. Den 1. Schwingungstyp nennt man Transversalwelle oder auch Querwelle. Transversalwellen bzw. Querwellen nennt man Wellen, die senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingen. Was das bedeutet, seht ihr an der Animation unten. Ein Beispiel für eine Transversalwelle wäre zum Beispiel die Ausbreitung von Schall in einem Festkörper. Die andere Schwingungsart sind die sogenannten Longitudinalwellen oder auch Längswellen. Longitudinalwellen bzw. Längswellen nennt man Wellen, die parallel zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingen. Ein Beispiel einer solchen Welle könnt ihr in der Animation unten sehen. Longitudinalwellen sind meistens Druckwellen, wie zum Beispiel die Ausbreitung von Schall in Gasen oder Flüssigkeiten. Es ist aber nicht so, dass jede Welle entweder eine reine Längs- oder eine reine Querwelle ist. Viele Wellen, zum Beispiel auch die meisten Wasserwellen, sind eine Mischform zwischen Transversal- und Longitudinalwellen. Als Letztes wollen wir uns noch das Phänomen der sogenannten stehenden Wellen ansehen. Eine stehende Welle entsteht durch die Überlagerung zweier Wellen, die gleiche Frequenz und Amplitude haben, aber sich genau in die entgegengesetzte Richtung ausbreiten. Durch diese Überlagerung entsteht eine Welle, deren Knotenpunkte sich nicht bewegen und die damit sozusagen auf der Stelle zu schwingen scheint; daher auch der Name stehende Welle. Dies kann zwischen 2 Quellen geschehen, die exakt die gleiche Welle aussenden. Viel häufiger aber kommt eine stehende Welle aber dadurch zustande, dass sich eine Welle mit ihrer eigenen Reflektion überlagert. Beispiele für stehende mechanische Wellen wären zum Beispiel eine Gitarrensaite, die ja an beiden Seiten fest eingespannt ist. Das heißt, die Welle wird auf dem Übertragungsmedium, welches die Saite ist, ständig hin- und herreflektiert und bildet dort eine stehende Welle aus. Eine andere Möglichkeit wäre, ein Seil an einem Türknauf festzubinden, das andere Ende in die Hand zu nehmen und zu schütteln. Wenn ihr die richtige Entfernung und die richtige Frequenz gewählt habt, können sich auf dem Seil stehende Wellen ausbilden. In der Animation unten seht ihr ein Beispiel für eine stehende Transversalwelle. Die einlaufende Welle ist dabei rot gekennzeichnet, die reflektierte Welle blau und die resultierende Gesamtwelle schwarz. Wie ihr seht, bilden sich Knotenpunkte, also Punkte, an denen die Auslenkung immer gleich 0 ist, aus, und diese bewegen sich nicht fort. Das heißt, die Welle scheint auf der Stelle zu schwingen. Wir wollen noch einmal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Eine Welle verbreitet Schwingungen durch den Raum und transportiert dabei Energie, aber keine Materie. Mechanische Wellen benötigen ein Übertragungsmedium, das sie in Schwingung versetzen, um sich auszubreiten. Eine Transversalwelle bzw. Querwelle schwingt senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung. Eine Longitudinal- bzw. Längswelle schwingt dagegen parallel zu ihrer Ausbreitungsrichtung. Eine stehende Welle entsteht durch die Überlagerung zweier Wellen gleicher Frequenz und Amplitude. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal, Euer Kalle