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Mechanische Wellen

Eine mechanische Welle ist eine Schwingung der Materie, die Energie durch ein Medium überträgt und an dieses gebunden ist Gleichzeitig kann aber auch ein Übertrag der Energie von einem Medium zum anderen stattfinden. In der Natur ist dies sogar eher die Regel als die Ausnahme. Während sich Wellen über große Entfernungen bewegen können, ist die Bewegung des Übertragungsmediums - des Materials - begrenzt. Daher bewegt sich das oszillierende (schwingfähige physikalische Größen) Material nicht weit von seiner anfänglichen Gleichgewichtsposition. Mechanische Wellen transportieren Energie. Diese Energie breitet sich in die gleiche Richtung wie die Welle aus. Jede Art von Welle (mechanisch oder elektromagnetisch) hat eine bestimmte Energie. Mechanische Wellen können nur in Medien erzeugt werden, die Elastizität und Trägheit besitzen. Eine mechanische Welle erfordert einen anfänglichen Energieeintrag. Sobald diese Anfangsenergie hinzugefügt ist, bewegt sich die Welle durch das Medium, bis ihre gesamte Energie übertragen ist. Im Gegensatz dazu benötigen elektromagnetische Wellen kein Medium, können sich aber dennoch durch eines bewegen. Beispiele für mechanische Wellen sind

Mechanische Wellen unterteilen sich in:

Die Longitudinalwellen oder Längswellen schwingen in Ausbreitungsrichtung. Longitudinalwellen sind Druckwellen. Sie entstehen in einem Medium, das eine oder mehrere Zonen mit Überdruck oder Druckspannung aufweist, von denen aus sich die Welle in Ausbreitungsrichtung fortpflanzt. Dabei schwingen die Teilchen des Ausbreitungsmediums im Betrag der Amplitude hin und her. Nach der Schwingung kehren die Teilchen zurück in die Ruhestellung. Das bedeutet, dass sich zwar die Energie der Welle ausbreitet oder fortpflanzt, die Teilchen des Mediums jedoch nicht. Ein bildhaftes Beispiel für eine Longitudinalwelle zeigt sich in einer Spiralfeder, die Senkrecht befestigt ist und am unteren Ende ein Gewicht besitzt. Wird die Feder gespannt oder gedrückt und dann losgelassen, erzeugt sie eine Longitudinalwelle.

Eine Transversalwelle bewegt sich im rechten Winkel zur Ausbreitungsrichtung. Bildhaft gesprochen zeigt sich eine Transversalwelle in Wasserwellen. Die Berge und Täler einer Wasserwelle sind die sich hoch unter runter bewegende Transversalwelle. Auch hier gilt, dass die Energie der Welle in Ausbreitungsrichtung verläuft, die Teilchen des Mediums jedoch an Ort und Stelle bleiben. Wasserwellen sind jedoch keine reinen Transversalwellen.

Wasserwellen gehören zu den Torsionswellen, eine Mischung aus Longitudinal- und Transversalwellen.

Mathematisch lassen sich mechanische Wellen über die Amplitude (A), den Wellenvektor (k), die Zeit (t), den Ort (r), die Phasengeschwindigkeit (c) sowie die Gruppengeschwindigkeit (vG) erfassen.

Mechanische Wellen sind praktisch nie monochromatische Wellen, also Wellen, die nur für sich alleine stehen. Ein Ton etwa, der das Ohr trifft, ist immer eine Mischung aus sich überlagernden Wellen. Daraus entstehen verschiedene Effekte, wie etwa die Interferenz. Dabei können sich Wellen mit gleichen Wellenlängen und Frequenzen verstärken, aber auch gegenseitig auslöschen, wenn die Wellen gegenläufig schwingen. Weitere Effekte aus der Wellenüberlagerung können stehende Wellen sein, Beispielsweise der Hall in einem leeren großen Raum. Eine Schwebung ist der Effekt, der entsteht, wenn sich zwei Wellen mit benachbarten Frequenzen überlagern. Beim Stimmen von Musikinstrumenten wird dieser Effekt genutzt.

Quizfragen zum Thema

  1. Was sind Kapillarwellen?

    Eine Kapillarwelle ist eine Transversalwelle auf der Oberfläche einer Flüssigkeit, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Oberflächenspannung des Mediums abhängig ist. Dabei handelt es sich um Wellen mit Wellenlängen unter 1 cm. Darüber ist der Einfluss der Schwerkraft größer als der Kapillardruck der Oberflächenspannung.

  2. Kann sich eine mechanische Welle im Vakuum ausbreiten?

    Nein, eine mechanische Welle ist immer an ein Medium gebunden

  3. Was ist eine typische Eigenschaft einer mechanischen Welle?

    In einer mechanischen Welle wird Energie und Impuls ohne Massetransport transportiert.

  4. Was ist die Amplitude?

    Die Amplitude ist der Abstand von der Ruhelage bis zur maximalen Auslenkung.

  5. Nenne je ein Beispiel für eine Kreiswelle und eine Kugelwelle

    A) Ein in ein stehendes Gewässer geworfener Stein erzeugt eine Kreiswelle.
    B) Eine Silvesterrakete breitet sich nach der Explosion kugelförmig aus.


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