(Mechanische) Wellen

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.

Mechanische Wellen

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:

• Die Amplitude einer Welle entspricht dabei der Höhe eines Wellenberges bzw. der Tiefe eines Wellentals. Man sagt auch, die Amplitude ist die maximale Auslenkung der Schwingungen einer Welle (Hinweis bereits hier: Alle mechanischen Schwingungen haben eine Amplitude, bei elektromagnetischen Wellen ist eine direkte Bestimmung der Amplitude nicht möglich).
• Die Frequenz einer Welle ist dabei die Frequenz, mit der ein einzelner Oszillator, der die Welle “verursacht”, schwingt.
• Die Wellenlänge einer Welle ist der Abstand zweier benachbarter Wellenberge (oder zweier Wellentäler).

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:

Die Formel zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit c einer Welle gilt für alle Arten von Wellen, also nicht nur für alle mechanische Wellen (z.B. Druckwellen), sondern auch für Elektromagnetische Wellen wie Radiowellen.

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).