Wellenformen
Einführung
Auch bei Wellen kann es zu ganz verschiedenen Erscheinungsformen kommen. Aus der Alltagserfahrung kennst du sicherlich bereits ganz verschiedene Wellenformen.
Die bekanntesten sind wohl die Wasserwellen und die Schallwellen. Doch auch Licht ist eine Welle, die bestimmte Charakteristika aufweist - eine sogenannte elektromagnetische Welle.
In diesem Kapitel kannst du mehr über die verschiedenen Wellenformen erfahren.
Wellenformen
Fortschreitende Welle
Bei einer fortschreitenden Welle breitet sich die Störung mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit aus. Dabei wird Energie mit oder ohne Materie transportiert. Alle Teilchen besitzen hierbei die gleiche Amplitude, erreichen diese jedoch nie gleichzeitig, sondern immer nacheinander.
Ebenfalls nacheinander gehen die Teilchen durch die Ruhelage. Dabei verändert sich das Kurvenbild nicht, sondern verschiebt sich nur. Das bedeutet, dass sich die Wellenlänge und die Amplitude nicht ändern, sondern sich lediglich die Phasen der Schwingungen der einzelnen Teilchen verschieben.
Du kannst sie dir folgendermaßen vorstellen:
Fortsetzung einer Störung nach oben:
Fortsetzung einer andauernden Störung nach oben und unten:
Beispiele:
Wasserwellen, Seilwellen, Schallwellen, elektromagnetische Wellen,...
Stehende Welle
Eine stehende Welle entsteht, wenn sich zwei gegenläufig ausbreitende (fortschreitende) Wellen derselben Frequenz und Amplitude überlagern.
Diese stehende Welle breitet sich, wie der Name schon besagt, nicht aus, sondern bleibt ortsgebunden. Sie „steht“. Für die Ausbreitungsgeschwindigkeit folgt daher, dass ist. An dieser Stelle ist der Begriff der Welle eigentlich nicht mehr anwendbar und ungeschickt gewählt, da das Schwingungsmuster sich nicht ausbreitet und dadurch keine Energie transportiert wird.
Jedes Teilchen des Schwingungsmusters besitzt eine von seinen Nachbarteilchen verschiedene Amplitude, die jedoch immer gleichzeitig erreicht wird. An den Maxima (Bäuchen) ist die Amplitude maximal und an den Stellen ohne Auslenkung (Knotenpunkte) ist sie Null. Ebenfalls gleichzeitig gehen die Teilchen durch die Ruhelage.
Alles in allem verschiebt sich die stehende Welle also nicht, sondern verändert das Kurvenbild in Schwingungsrichtung der Teilchen.
Die Bildung einer stehenden Welle kannst du dir anhand der folgenden Schaubilder verdeutlichen.
Zwei gegenläufig ausbreitende Wellen laufen aufeinander zu:
Bei der Überlagerung der beiden Wellen bildet sich eine stehende Welle aus:
Der zeitliche Verlauf der stehenden Welle sieht dann folgendermaßen aus:
Beispiele:
Reflexion einer fortschreitenden Welle (Wasserwelle, Lichtwelle,...)
Transversalwelle
Transversalwellen oder Querwellen sind physikalische Wellen, bei denen die Schwingung der Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgt:
Darüber hinaus ist die Transversalwelle die einzige Wellenart die polarisiert werden kann.
Beispiele:
Wasserwellen, Seilwellen,...
Linear polarisierte Transversalwelle
Transversalwellen können linear polarisiert sein.
Das bedeutet, dass die Richtung der Schwingungsgeschwindigkeit mit der Richtung der Ausbreitungsgeschwindigkeit
in einer Ebene liegt. Linear polarisierte Transversalwelle können also nur in einer einzigen Ebene (grün) schwingen:
Beispiele:
Polarisiertes Licht, Seilwelle (die durch ein „Auf und Ab“ erregt wird)
Zirkular polarisierte Transversalwelle
Bei einer solchen Transversalwelle ist die Richtung der Schwingung nicht konstant, sondern ändert sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit.
Die folgende Abbildung zeigt dir eine solche Welle auf:
Beispiele:
Seilwelle, die durch kreisende Bewegung erzeugt wird
Longitudinalwelle
Bei Longitudinalwellen oder Längswellen erfolgt die Schwingung parallel zur Ausbreitungsrichtung:
Insbesondere Druckschwankungen verursachen eine solche Longitudinalwelle. Du kannst sie dir folgendermaßen vorstellen:
Beispiele:
Schallwellen, seismische P-Wellen (periodische Druckschwankungen), z.T. auch Wasserwellen
Vergleich von Transversal- und Longitudinalwelle
Der Unterschied zwischen Longitudinalwelle (a) und Transversalwelle (b) liegt also gerade in der Ausrichtung der Schwingungs- und der Ausbreitungsrichtung zueinander:
Eindimensionale Wellen
Die Ausbreitungsrichtung der Welle erfolgt längs einer Geraden, also nur in einer einzigen Dimension.
Beispiele:
Seilwelle
Mehrdimensionale Wellen
Die Ausbreitung einer mehrdimensionalen Welle erfolgt in mehrere Richtungen bzw. mehrere Dimensionen.
Es ergibt sich also ein Schwingungsfeld bzw. ein Schwingungsraum.
Beispiele:
Schallwellen (3-dimensional), Wasserwellen (2-dimensional)
Mechanische Wellen
Eine mechanische Welle ist gekoppelt durch mechanische Kräfte. Bei der typischen Wellenmaschine etwa sorgen elastische Federn für die Verbindung zwischen den einzelnen Teilchen. Damit übernehmen Nachbarteilchen zeitlich verschoben die Schwingungsbewegung des Erregers.
Dieser Typ Welle benötigt allerdings einen Wellenträger als Medium, damit sich eine Welle ausbreiten kann.
Wellenträger können dabei Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase sein.
Beispiele:
Seilwelle, Wasserwelle, seismische Wellen, Schallwelle
Elektromagnetische Wellen
Elektromagnetische Wellen entstehen durch die Kopplung von elektrischen und magnetischen Feldern. Sie breiten sich auch im Vakuum aus und benötigen deshalb keinen Wellenträger als Medium.
Beispiele:
Lichtwelle, Radio-, Fernseh-, Radar-, Mikro-, Infrarot-, UV-, Röntgen-, Gamma-, Höhenstrahlung