Big Bang Physik 6, Schulbuch

Wellengrundlagen 2  20  RG 6.1, G 6.2 Wellen  63 20.3 Autoraser und Schwarze Löcher Doppler-Effekt Zum Schluss geht es darum, wie man die Geschwindigkeit von Autorasern messen kann, Schwarze Löcher entdeckt und warum ein Überschallflugzeug knallt! Ein vorbeirasendes Auto macht iiiiiiuuuuuuu. Beim Annä- hern ist das Geräusch hoch, beim Entfernen plötzlich tief (  F21 ). Warum das so ist, kann man mit der Hilfe von Kreis- wellen im Wasser gut verstehen. Stell dir einen Wasserläufer vor (Abb. 20.25), der im Dienste der Wissenschaft mit den Beinen zappelt. Bleibt er dabei an der Stelle, entstehen Kreiswellen wie in Abb. 20.26a. Bewegt er sich aber nach rechts, schieben sich die Wellen- berge rechts zusammen und links auseinander (b). Für einen Beobachter rechts würde daher die Wellenfrequenz zunehmen und für einen links abnehmen. Diesen Effekt nennt man nach seinem Entdecker Christian Doppler den Doppler-Effekt: Bewegen sich Quelle und Beobachter aufeinander zu, dann erhöht sich die Wellenfre- quenz im Vergleich zur Ruhe, bewegen sie sich voneinander weg, dann sinkt sie. Dieser qualitative Zusammenhang gilt auch, wenn sich der Beobachter bewegt, und er gilt für alle Wellen. Den quantitativen Zusammenhang siehst du in Tab. 20.1, S. 64. Zwei besondere Fälle treten nur bei mechanischen Wellen auf und wenn sich die Quelle bewegt: Bewegt sich der Wasserläufer genau mit Wellengeschwindigkeit, dann können die Wellen nach rechts nicht mehr entkommen (Abb. 20.26 c) und bilden dort eine so genannte Stoßwelle . Jeder kennt es, aber wie funktioniert eigentlich das Geschwindigkeitsradar im Straßenverkehr? L Das Geräusch eines schnell vorbeifahrenden Autos, etwa in der Formel-1, klingt irgendwie so: iiiiiiuuuuu. Kannst du das Geräusch genauer mit Worten be- schreiben? Und wie kommt es dazu? Wie kann man Schwarze Löcher entdecken, wenn sie doch unsichtbar sind? Was versteht man unter der Schallmauer und was ist ein Überschallknall? F20 W2 F21 W2 F22 S1 F23 W2 Abb. 20.25:  Wasserläufer Bewegt sich der Wasserläufer noch schneller, dann entsteht ein Kegel , aus dem die Wellen nicht nach außen dringen können (d). Beide Fälle spielen vor allem bei Flugzeugen eine Rolle ( Info: Mach 1). Zur Herleitung der Gleichung für den Doppler-Effekt: Siehe F24 (S. 64). Der Doppler-Effekt hat zahlreiche Anwendungen in der Astronomie. Wenn sich eine Lichtquelle entfernt, verschie- ben sich alle Frequenzen ins Rote und man spricht von Rot- verschiebung . Bei Annäherung kommt es zu einer Blauver- schiebung . Das Spektrum mancher Sterne wechselt ständig zwischen Rot- und Blauverschiebung. Das lässt sich nur so erklären, dass diese mit anderen, nicht sichtbaren Objekten um einen gemeinsamen Schwerpunkt rotieren, etwa um ein schwarzes Loch (  F22 ). Abb. 20.26:  Effekte bei mechanischen Wellen mit bewegter Quelle Mach 1 Wenn ein Flugzeug Schallgeschwindigkeit erreicht (wie in Abb. 20.26 c), dann spricht man von Mach 1 , benannt nach dem österreichischen Physiker Ernst Mach. Durch die da- bei erzeugte Stoßwelle erhöht sich der Luftwiderstand sehr stark. Erst wenn das Flugzeug Mach 1 überschreitet, sinkt der Widerstand wieder ab. Deshalb gibt es den bildlichen Begriff der Schallmauer ( F23 ), die aber nicht wirklich existiert. Über Mach 1 bildet sich ein Mach’scher Kegel aus (Abb. 20.26d). Man kann das Flugzeug erst dann hören, wenn der Kegelmantel den Boden erreicht hat. Dann treffen sehr viele Wellen auf einmal in deine Ohren, und das nennt man den Überschallknall . i Abb. 20.27:  Diese F/A 18 durchbricht gerade die Schallmauer. Hinter der Stoßfront sinkt der Luftdruck stark ab. Dadurch kondensiert der Wasserdampf zu einem netten Wölkchen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv