Im Rahmen der Optik befassen wir uns immer wieder mit der Ausbreitung von Licht. Licht breitet sich als elektromagnetische Welle in alle Raumrichtungen aus. Eine spezielle Form dieser Welle ist die sogenannte stehende Welle (manchmal auch als Stehwelle bezeichnet). Eine typische stehende Welle entsteht durch die Überlagerung zweier gegenläufiger Wellen gleicher Frequenz und gleicher Amplitude.
Wie eingangs erwähnt, entstehen “stehende Wellen” durch die Überlagerung zweier gegenläufiger Wellen. In der Optik gibt es hierfür zwei grundlegende Möglichkeiten. Die Wellen entstehen aus zwei gegenüberliegenden Lichtquellen oder entstehen durch Reflexion einer Welle an einem Hindernis, die sich dann mit der (an dem Hindernis) ankommenden Welle überlagert. Daher ist der Abstand zweier Wellenknoten oder zweier Wellenbäuche bei einer stehenden Welle die halbe Wellenlänge der ursprünglichen fortschreitenden Wellen (bevor es zur Reflexion und der Überlagerung kommt).
Die Reflexion an einem Hindernis ist der häufigste Grund, wie sich zwei Wellen gleicher Freuqenz und Amplitude überlagern können. Die Welle, die sich im Raum ausbreitet, wird am Hindernissen reflektiert, so dass sich die hin- und rücklaufenden Wellen überlagern. In diesem Fall haben wir eine stehende Welle vorliegen, daran zu erkennen, dass sich die Schwingungsknoten immer an der gleichen Stellen befinden.
Da die stehende Welle durch Überlagerung zweier entgegengesetzter Wellen mit gleicher Frequenz, Amplitude und Wellenlänge entsteht, bilden sich in den Abständen von einer halben Wellenlänge sich die Schwingungsknoten und Schwingungsbäuche aus. Daher ist die Bedingung zur Ausbildung einer stehenden Welle, dass die Verschiebung genau ein ganzzahliges Vielfaches von λ/2 ist, weil immer entgegengesetzte Wellenphasen aufeinander treffen müssen. Der Abstand zwischen 2 Knoten beträgt immer λ/2.
Daher auch der Begriff “stehende Welle”, den bei stehenden Wellen ändern sich deren Wellenbäuche bzw. Wellenknoten nicht. Die Schwingungsknoten erscheinen stets in Ruhe, die Auslenkung an den Schwingungsbäuchen zweigt (wie bei Wellen üblich) einen sinusförmigen Verlauf.
Hinweis:
Die stehende Welle tritt aber nicht nur im Bereich der Optik auf, sondern ebenfalls im Bereich der Elektronik und sowohl auch in der Mechanik.
Eine stehende Welle ist eine besondere Form einer Welle. Sie entsteht, wenn zwei gleichartige Wellen sich überlagern und die Bewegung der Welle scheint still zu stehen.
Die Hauptbedingungen für die Entstehung einer stehenden Welle sind zwei gleiche Wellen, die sich in entgegengesetzten Richtungen bewegen und sich überlagern. Sie sollten die gleiche Amplitude, Frequenz und Geschwindigkeit aufweisen.
Zwei Beispiele für stehende Wellen in der Physik sind Seilwellen und Klangwellen in einem Rohr oder einer Saite.
Knotenpunkte sind Stellen in einer stehenden Welle, an denen die Amplitude immer null ist.
Bauchpunkte sind Stellen in einer stehenden Welle, an denen die Amplitude ihren maximalen Wert hat.
Stehende Wellen sind für die Töne von Musikinstrumenten verantwortlich. Sie werden erzeugt, wenn der Musiker das Instrument in Schwingung versetzt.
Die Frequenz und die Wellenlänge einer stehenden Welle sind umgekehrt proportional zueinander. Je höher die Frequenz, desto kürzer ist die Wellenlänge und umgekehrt.
Wenn eine stehende Welle auf ein Hindernis trifft, wird sie reflektiert und es entsteht eine neue Welle, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Dies kann zur Bildung neuer stehender Wellen führen.
Eine Änderung der Frequenz führt zu einer Änderung der Wellenlänge und der Form der stehenden Welle.
Der Hauptunterschied liegt darin, dass die Punkte einer laufenden Welle sich in einer bestimmten Richtung bewegen, während die Punkte einer stehenden Welle scheinbar still stehen.