Big Bang HTL 3, Schulbuch

Wellen – Vertiefung 3 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 27 Wasserwellenbruch Eine der wenigen Ausnahmen vom Super- positionsprinzip sind hohe Wasserwellen. Diese haben generell die Form von um- gedrehten Rollkurven (Zykloiden; siehe Abb. 3.5). Darunter versteht man die Bah- nen von Punkten auf rollenden Rädern. Je nach deren Lage entstehen dabei mehr oder weniger spitze Bahnen. Befindet sich der Punkt außerhalb des Rollradius (das kann z. B. bei Eisenbahnrädern der Fall sein), dann haben die Rollkurven Schleifen (e). Punkte unter dem Roll- niveau bewegen sich also tatsächlich gegen die Rollrichtung ( F4 )! Wenn du das Buch umdrehst, dann zeigen a bis d mögliche Formen einer Wasserwelle. Höher als bei d kann die Welle natürlich nicht werden, weil dann müssten die Wasserteil- chen einen Looping machen. Wellenhöhe (Kreisdurchmes- ser) und Wellenlänge (Kreisumfang) verhalten sich wie 1 : π (siehe d). Eine Wasserwelle kann also nur rund 1/3 so hoch wie lang werden. Würde sich durch Überlagerung von Was- serwellen eine größere Höhe ergeben, bricht die Gesamt- welle – das Superpositionsprinzip gilt also nicht mehr. i Abb. 3.4: Bei zwei gegenläufige Wellen addieren sich die Amplituden. Sie beeinflussen einander aber nicht, solange die maximale Amplitude (Abb. 3.5 d) nicht überschritten wird. Abb. 3.5: Beispiele für Rollkurven: Die Zahl gibt die Entfernung des beobachteten Punktes vom Mittelpunkt in Radien an. Eine Zahl größer als 1 ist nur auf Schienen möglich. Wellenwanne (Simulation) Unter dem Link http://www.pabst- software.de kann gratis eine Soft- ware heruntergeladen werden, mit der eine 3D-Simulation der Wellen- wanne möglich ist. Versuche durch geeignete Wahl der Parameter, Effekte wie konstruktive und dest- ruktive Interferenz, Beugung oder stehende Wellen zu demonstrieren (siehe Abb. 3.6). e Abb. 3.6 Das nennt man das Superpositionsprinzip (superponieren = überlagern). Wenn die Wellen aneinander vorbeigelaufen sind, haben sie daher wieder die ursprüngliche Form (Abb. 3.4). Das Superpositionsprinzip gilt mit ganz wenigen Ausnahmen für alle „Wellen“. Info: Wasserwellenbruch Experiment: Wellenwanne Zusammenfassung Wellen setzen sich aus Schwingungen zusammen. Alles, was für die Überlagerung von Schwingungen gilt, gilt daher auch für die Überlagerung von Wellen. Wellen tun einander nichts. Sie durchlaufen einander ungestört, und die Schwin- gungsamplituden addieren sich. Das nennt man das Super- positionsprinzip. 3.2 Marshmallows in der Mikrowelle Stehende Wellen Durch Überlagerung von Wellen entsteht auch eine ganz besondere Form, nämlich stehende Wellen. Warum diese in der Musik eine wichtige Rolle spielt, erfährst du hier. Z Nimm den Drehteller aus der Mikrowelle, leg Backpapier auf den Boden und fülle ihn mit Marshmallows. Wenn du einschaltest, dann blähen sich diese unterschiedlich stark auf (Abb. 3.7). Warum? Was versteht man unter Resonanz bzw. Klangfarbe? Lies nach in Kap. 2.3 (S. 16) und 2.5 (S. 22)! Wenn du über eine Flasche bläst, dann kannst du – je nach Höhe der Luftsäule – durch Resonanz einen ganz bestimmten Ton erzeugen. Woher weiß aber die Flasche, welches ihre Resonanzfrequenz ist? L Wenn du Wasser in eine Flasche füllst, dann hörst du dabei ein Geräusch, das immer höher wird! Warum? Eine gezupfte Geigensaite klingt viel härter als eine gestrichene. Was könnte das für einen Grund haben? Hilf dir mit der Infobox Fourier-Synthese (S. 23). L In einem Film siehst du eine Maus, die wie ein Löwe brüllt. Kann das sein? Versuche zu begründen! Am Bodensee kann man beobachten, dass sich der Wasserspiegel an manchen Tagen im Lauf einer Stunde um einen Meter hebt und wieder senkt. Wie kommt das? F5 B1 Abb. 3.7: Marshmallows in der Mikrowelle F6 A1 F7 B1 F8 B1 F9 A2 F10 A2 F11 A2 Nur zu Prüfzwecken – E igentum des Verlags öbv