Eigenschaften mechanischer Wellen

Durch vielfältige Experimente und Erfahrungen in der Praxis hat man die verschiedenen Eigenschaften von mechanischen Wellen, z. B. von Wasserwellen und Schallwellen, entdeckt. Nachfolgend werden die Eigenschaften mechanischer Wellen dargestellt.

Ausbreitung von Wellen

Wellen breiten sich von einem Erreger aus in einem Stoff bei konstanter Dichte des Stoffes und konstanter Temperatur geradlinig aus. Es bilden sich Wellenfronten.
Die Ausbreitung der Wasserwellen erfolgt senkrecht zu den Wellenfronten.

Aus Bild 3 ist erkennbar, wie sich Wellenfronten und Ausbreitungsrichtung zueinander verhalten. Die Wellenfronten entsprechen den Wellenbergen. Ihre Ausbreitung erfolgt vom Erregerzentrum weg und damit senkrecht zu den Wellenfronten. Die Senkrechte auf den Wellenfronten wird in der Physik als Wellennormale bezeichnet.
Ändern sich Dichte oder Temperatur eines Stoffes, so ändert sich im Allgemeinen auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Damit kann sich auch die Ausbreitungsrichtung ändern.

Ausbreitungsgeschwindigkeit mechanischer Wellen

Eine Welle ist die Ausbreitung einer Schwingung im Raum. Eine solche Schwingung breitet sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit, der Ausbreitungsgeschwindigkeit v (manchmal auch als c bezeichnet), aus. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v mechanischer Wellen kann berechnet werden mit der Gleichung:

$\begin{array}{l}v=\lambda \cdot f\\ \lambda \text{ Wellenlänge der Welle}\\ f\text{ Frequenz der Schwinger}\end{array}$

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist sehr unterschiedlich und hängt in starkem Maße von den jeweiligen Bedingungen ab. In der nachfolgenden Übersicht sind einige Ausbreitungsgeschwindigkeiten zusammengestellt.

Reflexion mechanischer Wellen

Treffen mechanische Wellen auf ein Hindernis, so werden sie reflektiert. Das kann man z. B. beobachten, wenn Schallwellen auf eine Fläche treffen (Bild 4) oder Wasserwellen schräg auf eine Mauer treffen. Für die Reflexion mechanischer Wellen gilt das Reflexionsgesetz:
Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß.

$\begin{array}{l}\alpha =\alpha `\\ \alpha \text{ Einfallswinkel}\\ \alpha \text{´ Reflexionswinkel}\end{array}$

Die Reflexion von mechanischen Wellen spielt insbesondere beim Schall eine Rolle. Ein Echo oder Nachhall kommt durch Reflexion zustande. Schall kleiner Wellenlänge (Ultraschall) wird genutzt, um Fischschwärme zu orten, die Meerestiefe zu messen (Echolot) oder um Ultraschalluntersuchungen durchzuführen.
Auch die Orientierung von Fledermäusen erfolgt so, dass von ihnen Ultraschallwellen abgegeben werden, diese an Hindernissen reflektiert und von den Fledermäusen wieder aufgenommen werden. Die Fledermäuse sind dadurch in der Lage, Hindernisse und Beutetiere zu erfassen.

Brechung mechanischer Wellen

Gehen mechanische Wellen von einem Stoff in einen anderen Stoff über, so verändern sie im Allgemeinen ihre Ausbreitungsrichtung. Sie werden gebrochen (Bild 5). In welcher Richtung die Brechung erfolgt und wie stark sie ist, hängt vom Einfallswinkel sowie von den Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den beiden Stoffen ab.
Es gilt das Brechungsgesetz:

$\begin{array}{l}\frac{\sin \alpha }{\sin \beta }=\frac{v_1}{v_2}\\ \alpha \text{ Einfallswinkel}\\ \beta \text{ Brechungswinkel}\\ v_1\text{ Ausbreitungsgeschwindigkeit im Stoff 1}\\ v_2\text{ Ausbreitungsgeschwindigkeit im Stoff 2}\end{array}$

Beugung von mechanischen Wellen

Treffen mechanische Wellen auf einen Spalt oder eine Kante, so breiten sie sich "um die Ecke" aus (Bild 6). Diese Erscheinung wird als Beugung bezeichnet. Beugung kann man ständig beobachten: Geräusche eines Autos oder Stimmen von Personen hört man beispielsweise auch dann, wenn man hinter einer Hausecke steht.
Beugung ist eine wellentypische Erscheinung, d. h., sie tritt nur bei Wellen auf. Damit gilt auch umgekehrt: Wenn Beugung auftritt, kann man daraus folgern, dass Wellen vorliegen.

Interferenz von Wellen

Wellen, die von verschiedenen Erregern ausgehen, können sich überlagern oder - wie es in der Physik heißt - interferieren. Dabei entstehen häufig Bereiche der Verstärkung und der Abschwächung oder Auslöschung. Das lässt sich anhand von Wasserwellen auch gut demonstrieren (siehe Bild 1).
Wie solche typischen Bereiche der Verstärkung bzw. der Auslöschung zustande kommen, zeigt Bild 7. Verstärkung tritt dort auf, wo zwei Wellenberge zusammentreffen. Auslöschung tritt dort auf, wo ein Wellenberg und ein Wellental zusammentreffen. Verbindet man Stellen der Verstärkung bzw. der Auslöschung miteinander, so erhält man die in Bild 7 rot eingezeichneten typischen Interferenzstreifen.

Interferenz kann z. B. auftreten, wenn in einem Raumbereich Schallwellen aus Lautsprechern zusammentreffen. Es treten dort Gebiete der Verstärkung und der Auslöschung auf, die man feststellen kann, wenn man seinen Aufenthaltsort ändert.