Grundlagen der periodischen Bewegung und Wellenlehre

Regelmäßige Bewegung und Schwingung

Eine Bewegung heißt periodisch, wenn ihre Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung nach einem gewissen Zeitintervall, der sogenannten Periode, wiederholt werden. Diese werden als oszillierende Bewegungen bezeichnet. Jedes Mal, wenn der Körper in die Ausgangsposition zurückkehrt, hat er eine Schwingung vollzogen; die dafür benötigte Zeit ist die Periodendauer. Wenn diese Schwingungen sehr schnell sind, werden sie als Vibrationen bezeichnet. Die Rückstellkraft wirkt immer in die entgegengesetzte Richtung des Pfades. Es handelt sich um eine geradlinige Bewegung, die durch eine Kraft proportional zum Vektor der Kräfte, aber in entgegengesetzter Richtung, erzeugt wird. Diese sind elastischer Natur.

Das einfache Pendel

Eine Masse m ist an einem undehnbaren und masselosen Faden der Länge L befestigt. Die Schwingungen werden langsamer, wenn wir die Länge des Fadens vergrößern.

Wellenbewegung und Energieübertragung

Wenn wir einen Stein auf eine Wasseroberfläche werfen, entsteht eine Störung. Die Wasserteilchen steigen und sinken, aber es ist nicht das Wasser, das gegen die Wände des Teiches wandert, sondern die erzeugte Störung. Wenn wir ein Seil an einem Ende bewegen, breitet sich diese Turbulenz bis zum anderen Ende aus, aber es ist nicht das Seil selbst, das dorthin gelangt. Wellenbewegung ist ein Weg, um Energie zu übertragen, ohne Materie zu transportieren. Dafür ist notwendig:

• Eine Störung (Emissionszentrum).
• Energieübertragung mit Verzögerung bei der Ankunft.

Klassifizierung von Wellen

• Mechanische Wellen: Diese benötigen ein elastisches Material als Medium, um Energie auszubreiten.
• Elektromagnetische Wellen: Diese breiten sich in einem Bereich des Raumes aus, in dem elektrische und magnetische Felder koexistieren. Sie benötigen keine Materie zur Ausbreitung.
• Transversalwellen: Die Teilchen schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.
• Longitudinalwellen: Die Teilchen schwingen in der gleichen Richtung wie die Wellenausbreitung.

Huygens' Prinzip: Reflexion und Brechung

Durch dieses geometrische Modell können wir verstehen, wie sich eine Welle ausbreitet. Wenn eine Welle einen Punkt erreicht, wird dieser zu einer neuen Quelle von Elementarwellen mit den gleichen Eigenschaften wie die ursprüngliche Welle. Die neue Wellenfront wird durch die Verbindung der Punkte gewonnen, die gleichzeitig von der Welle erreicht wurden.