Wellenbewegung: Grundlagen, Typen und Geschwindigkeit einfach erklärt

Wellenbewegung: Energieübertragung ohne Materietransport

Die meisten Informationen erreichen uns in Wellenform. Durch die oszillierende Bewegung gelangen Schallwellen zu unseren Ohren, und elektromagnetische Signale erreichen Radios und Fernseher. Durch die Wellenbewegung kann eine Quelle Energie auf einen Empfänger übertragen, ohne Materie zwischen den beiden Punkten zu transportieren.

Demonstration der Wellenbewegung

Heben und senken Sie ein Ende eines Seils; eine Störung reist entlang einer Rhythmusstörung. Jedes Teilchen des Seils bewegt sich auf und ab, während sich die Störung entlang der Länge des Seils ausbreitet. Das Medium kehrt nach dem Vorbeigang der Störung in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Was sich ausbreitet, ist die Störung, nicht das Medium selbst.

Werfen Sie einen Stein in einen Teich: Wellen breiten sich nach außen aus und bilden immer größere Kreise, deren Zentrum die Quelle der Störung ist. Das Wasser wird mit den Wellen transportiert, da es beim Erreichen des Ufers auf Flächen spritzt, die zuvor trocken waren.

Wenn die Wellen auf unpassierbare Barrieren treffen, kehrt das Wasser in den Teich zurück. Das Oberflächenwasser wurde zwar gestört, aber das Wasser selbst hat sich nicht wegbewegt. Das Medium kehrt nach dem Vorbeigang der Störung in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Was von einem Ort zum anderen transportiert wird, ist eine Störung in einem Medium, nicht das Medium selbst.

Betrachten Sie ein Feld mit Gras an einem windigen Tag: Sie werden sehen, wie Wellen durch das Gras fahren. Die einzelnen Grashalme verlassen ihre Position nicht, sondern werden nur beeinflusst. Das Gras am Straßenrand, das Ihre Beine berührt, verhält sich ähnlich wie das Wasser im vorherigen Beispiel. Während der kontinuierlichen Wellenbewegung schwingt das Gras zwischen definierten Grenzen, bewegt sich aber nicht fort. Wenn die Wellenbewegung aufhört, kehrt das Gras in seine ursprüngliche Position zurück.

Die Geschwindigkeit der Welle

Die Geschwindigkeit der periodischen Wellenbewegung hängt von der Frequenz und der Wellenlänge ab. Wenn wir an einem festen Punkt auf der Wasseroberfläche stehen und die Wellen beobachten, können wir messen:

• Periode (T): Die Zeit, die zwischen dem Eintreffen eines Wellenbergs und dem nächsten vergeht.
• Wellenlänge (λ): Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen.

Die Geschwindigkeit (v) wird definiert als Abstand geteilt durch Zeit. Der Abstand ist die Wellenlänge und die Zeit ist die Periode: v = λ / T.

Typen von Wellen

Transversalwellen

Bei einer Schnurbewegung (Auf- und Abbewegung) steht die Bewegung im rechten Winkel zur Richtung der Wellenausbreitung. Diese Bewegung wird als Querbewegung bezeichnet.

Bewegen Sie ein Kabel mit einer regelmäßigen und kontinuierlichen Auf- und Abbewegung, löst dies eine Welle aus. Da die Bewegung quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle erfolgt, wird diese Art von Welle als Transversalwelle bezeichnet. Wellen auf gespannten Saiten von Musikinstrumenten und auf Flüssigkeitsoberflächen sind typischerweise transversal.

Longitudinalwellen

Manchmal bewegen sich Teile des Mediums vor und zurück, also in die gleiche Richtung, in die sich die Welle ausbreitet. Die Bewegung erfolgt entlang der Wellenrichtung und nicht im rechten Winkel dazu. Dies erzeugt eine Longitudinalwelle.

Demonstration mit einer Feder (Slinky)

Sie können den Unterschied zwischen Transversal- und Longitudinalwellen mit einer flexiblen Feder demonstrieren:

1. Transversalwelle: Bewegen Sie ein Ende der Slinky seitwärts (von Seite zu Seite).
2. Longitudinalwelle: Drücken und ziehen Sie das Ende der Slinky schnell hin und her, parallel zur Ausbreitungsrichtung.

Bei der Longitudinalwelle schwingt das Medium in einer Richtung parallel zur Energieübertragung. Ein Teil der Feder wird zusammengedrückt, wodurch sich eine Welle durch Kompression ausbreitet. Zwischen aufeinanderfolgenden Kompressionen befindet sich ein gedehnter Bereich, genannt Rarifikation oder Verdünnung. Kompressionen und Rarifikationen bewegen sich in die gleiche Richtung entlang der Feder. Schallwellen sind longitudinale Wellen.