Wellen treten dann immer auf, wenn sich eine physikalische Größe zeitlich und räumlich periodisch ändert. Dies ist auch bereits der wesentliche Unterschied zwischen einer Welle und einer Schwingung. Schwingungen sind periodisch bezüglich der Zeit, während Wellen periodisch bezüglich Raum und Zeit sind. Beispiele für mechanische Wellen sind Wasserwellen und Schallwellen
Wellen und Schwingungen haben aber auch eine Gemeinsamkeit, so kann man sich eine mechanische Welle als die Ausbreitung einer mechanischen Schwingung im Raum vorstellen.
Damit eine Welle entsteht benötigt man also ein System gekoppelter Oszillatoren (auch manchmal als Schwinger bezeichnet), die jeweils zu Schwingungen angeregt werden. Eine Welle kann also nur entstehen, wenn Wechselwirkungen zwischen einzelnen Oszillatoren bestehen, so dass sich der Schwingungszustand eines Oszillators jeweils auf die benachbarten Oszillatoren ausbreiten kann.
Dabei kann man zwei Arten von Wellen unterscheiden, die Longitudinalwellen und die Transversalwellen. Bei einer Transversalwelle (auch manchmal als Querwelle bezeichnet) schwingen die Oszillatoren quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Beispiel für Transversalwellen sind Lichtwellen oder Seilwellen.
Bei einer Longitudinalwelle hingegen, schwingen die Oszillatoren längs der Ausbreitungsrichtung der Welle (daher werden Longitudinalwellen auch manchmal als Längswellen bezeichnet). Beispiele von Longitudinalwellen sind Druck- oder Schallwellen in der Luft oder wie nachfolgend gezeigt die Ausbreitung von Wasserwellen.
Wichtige Größen zur Beschreibung einer mechanischen Welle sind die Amplitude, die Frequenz und die Wellenlänge:
Eine Welle breitet sich durch die Kopplung von (einzelnen) schwingenden Oszillatoren aus. In der Zeit in der ein Oszillator eine vollständige Schwingung ausgeführt hat, ist die Welle um eine Wellenlänge “Lambda” weiter. Beginnt ein Oszillator zu Schwingen und erreicht nach einer Zeit t wieder die Ausgangslage, hat sich die Wellen um “Lambda” weiter bewegt.
Diese Bewegung, mit der sich die (einzelne) Schwingung in einer Welle ausbreitet, nennt man Ausbreitungsgeschwindigkeit oder Phasengeschwindigkeit der Welle. Für die Ausbreitungsgeschwindigkeit c einer Welle gilt folgende Gleichung:
Hinweis: Wellen transportieren keine Materie (obwohl es manchmal so aussieht), sondern nur Energie. Dies kann man beispielsweise an einer Wasserwelle überprüfen. Mit bloßem Auge sieht es so aus, als würde Wasser in Ausbreitungsrichtung der Welle transportiert werden. Legt man aber einen Gegenstand (z.B. Stück Papier) auf die Wasseroberfläche (der auf der Oberfläche schwimmt und in dem Wasser herrscht keine Strömung), so beobachtet man, dass die Welle sich weiterbewegt, während der Gegenstand an der gleichen Stelle bleibt (der Gegenstand wird durch die Welle nur auf- und ab bewegt).
Eine mechanische Welle ist eine Welle, die sich durch ein Medium (fest, flüssig oder gasförmig) fortbewegt und dabei Energie überträgt. Dies geschieht ohne dass das Medium selbst transportiert wird.
Die zwei Hauptarten von mechanischen Wellen sind Longitudinalwellen und Transversalwellen.
Bei Longitudinalwellen schwingen die Teilchen parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle, bei Transversalwellen senkrecht dazu.
Die Amplitude ist der maximale Auslenkungsgrad einer Welle aus ihrer Ruheposition.
Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden gleichphasigen Punkten einer Welle, z.B. von Wellenberg zu Wellenberg oder von Wellental zu Wellental.
Die Frequenz einer Welle ist die Anzahl der vollständigen Schwingungen, die ein Punkt der Welle pro Sekunde ausführt.
Interferenz ist das Phänomen, dass sich die Amplituden zweier oder mehrer Wellen bei Überlagerung addieren oder subtrahieren.
Eine stehende Welle ist das Ergebnis der Überlagerung zweier Wellen gleicher Frequenz und Amplitude, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen.
Der Doppler-Effekt ist die scheinbare Änderung der Frequenz einer Welle in Abhängigkeit von der relativen Geschwindigkeit zwischen Beobachter und Quelle.
Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen ausbreiten. Sie ist abhängig vom Medium, durch das der Schall sich ausbreitet, sowie von dessen Temperatur und Druck.