Mechanische Wellen

Durch Kopplung können schwingungsfähige Körper bzw. Teilchen von einem anderen Schwinger Energie erhalten und so selbst zu Schwingungen angeregt werden. Dadurch kann sich die Schwingung eines Körpers bzw. Teilchens im Raum ausbreiten. Solche Vorgänge nennt man mechanische Welle und definiert:

Eine mechanische Welle ist die Ausbreitung einer mechanischen Schwingung im Raum.

Beispiele für mechanische Wellen sind Wasserwellen, Schallwellen, Erdbebenwellen oder Seilwellen.

Voraussetzungen für die Entstehung von Wellen

Voraussetzungen für das Entstehen einer mechanischen Welle sind:

1. Es müssen schwingungsfähige Körper bzw. Teilchen vorhanden sein.
2. Zwischen den Körpern bzw. Teilchen müssen Kräfte wirken; es muss also eine kräftemäßige Kopplung vorhanden sein.
3. Mindestens einer der Körper bzw. Teilchen muss zu Schwingungen angeregt werden, d. h. es muss Energie zugeführt werden.

Das Entstehen einer Welle lässt sich gut am Beispiel gekoppelter Federschwinger (Bild 2) oder gekoppelter Fadenpendel verfolgen: Regt man einen Schwinger an, so erfolgt durch die Kopplung der Schwinger eine Energieübertragung auf den nächsten Schwinger, von diesem wieder auf den nächsten usw. Die Schwingung breitet sich im Raum aus.

Mit der sich ausbreitenden Schwingung erfolgt eine Energieübertragung. Das ist ein wichtiges Kennzeichen mechanischer Wellen. Allgemein gilt:

Mit einer mechanischen Welle wird Energie übertragen, jedoch kein Stoff transportiert.

So schwingt z. B. bei einer Wellenmaschine, einem Gerät zur Demonstration mechanischer Wellen, jeder einzelne hantelförmige Schwinger hin und her. Die Schwingung breitet sich nach rechts aus, wobei Energie übertragen, aber kein Stoff transportiert wird, denn die Schwinger bleiben am ursprünglichen Ort.

Arten mechanischer Wellen

Je nach dem Verhältnis von Schwingungsrichtung der einzelnen Schwinger und Ausbreitungsrichtung der Welle zueinander unterscheidet man zwischen Längswellen (Longitudinalwellen) und Querwellen (Transversalwellen).

Bei Längswellen, auch Longitudinalwellen genannt, stimmen die Schwingungsrichtung der einzelnen Schwinger und die Ausbreitungsrichtung der Welle überein (Bild 4). Beispiele für solche Längswellen sind Schallwellen und ein Teil der Erdbebenwellen.

Der Verlauf solcher Längs- oder Longitudinalwellen lässt sich auch mithilfe einer Simulation verdeutlichen: Das in einem Rohr befindliche Gas wird mit dem Kolben komprimiert. Diese Anregung breitet sich durch das Gas hindurch aus. Es entsteht eine Längswelle. Zugleich ist das ein Modell für die Ausbreitung von Schallwellen von einem Erreger aus.

Bei Querwellen, auch Transversalwellen genannt, verlaufen die Schwingungsrichtung der einzelnen Schwinger und die Ausbreitungsrichtung der Welle senkrecht zueinander (Bilder 3 und 5). Beispiele für solche Querwellen sind Wasserwellen, ein Teil der Erdbebenwellen und Seilwellen.

Die Simulationen 3 und 4 zeigen verschiedene Arten von Querwellen. Bei Seilwellen (Simulation 3) erfolgt die Anregung mit der Hand. Mit etwas Übung kann man sehr schöne sinusförmige Wellen erzeugen.

Eine spezielle Form der Querwellen sind Kreiswellen. Ein Bespiel dafür sind Wasserwellen. Die Simulation 4 zeigt deutlich, dass sich das einzelne Wasserteilchen auf einer kreisförmigen Bahn bewegt, die Gesamtheit der Wasserteilchen aber eine Welle ergibt.

Eine etwas allgemeinere Definition einer Welle

Im Raum können sich nicht nur mechanische, sondern auch nichtmechanische Schwingungen ausbreiten, z. B. elektromagnetische Schwingungen, die von einer Antenne abgestrahlt werden und sich dann als elektromagnetische Wellen im Raum ausbreiten. In diesem Falle ändern sich nichtmechanische Größen, z. B. die Stärke des elektrischen und des magnetischen Feldes.
Allgemein kann man deshalb für beliebige Arten von Wellen definieren:

Eine Welle ist eine zeitlich und räumlich periodische Änderung einer physikalischen Größe bzw. eines physikalischen Zustandes.