2.1 Entstehung und Ausbreitung von Wellen Wellen entstehen, wenn schwingende Teilchen ihre Schwingungsenergie an benachbarte Teilchen weitergeben. Am einfachsten lässt sich dies am Beispiel miteinander gekoppelter Pendel darstellen. Experiment: Gekoppelte Pendel 45.1 Verbinde zwei Pendel mit einer Feder (45.1) oder einer Schnur, die du mit einem Massestück beschwerst, um die Kopplung zu verbessern. Beschreibe deine Beobachtungen und vergleiche die Ergebnisse von a) und b). E3 a) Lass ein Pendel in Richtung der Verbindungslinie der Pendel schwingen. E3 b) Lass ein Pendel quer zur Verbindungslinie der Pendel schwingen. Die Kopplung durch die Feder bewirkt, dass abwechselnd Schwingungsenergie von einem Pendel zum anderen übertragen wird. Sobald ein Pendel in Ruhe ist, schwingt das andere mit maximaler Auslenkung. Was geschieht, wenn nicht zwei, sondern viele Pendel miteinander gekoppelt sind? Entstehung einer transversalen Welle Experiment: Transversale Welle 45.2 E2 Du brauchst: Eine „Wellenmaschine“, siehe Abb. 45.2: An einer waagrechten Stange sind viele gleich lange bewegliche Stäbe in gleichen Abständen befestigt und wie in Abb. 45.1 mittels Federn aneinander gekoppelt. Führe das erste Pendel aus der Ausgangslage und bewege es längs der y-Achse (45.3) möglichst harmonisch hin und her. Beobachte, was passiert. Lenkt man ein Pendel aus, so geraten wegen der Kopplung auch alle übrigen Pendel in Schwingung. Weil aber die Pendel eine gewisse Trägheit besitzen, beginnt jedes Pendel etwas später zu schwingen als das vorhergehende. Dadurch wandert der „Wellenberg“, das ist der Ort mit der größten Auslenkung, gleichmäßig in der Ausbreitungsrichtung weiter. Macht man eine Momentaufnahme, erkennt man „Wellenberge“ und „Wellentäler“. Da sich die Pendel quer zur Ausbreitungsrichtung bewegen, spricht man von einer Transversalwelle. Jeder der beteiligten Pendelkörper führt eine harmonische Schwingung aus, das WegZeit-Diagramm eines einzelnen Oszillators ist daher eine Sinuskurve. Macht man von der Transversalwelle eine Momentaufnahme, so liegen auch die Pendelkörper auf einer Sinuskurve. Dies bedeutet, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt auch die Auslenkung y in Abhängigkeit von der Ausbreitungsrichtung x eine Sinusfunktion ergibt. Derartige Wellen nennt man harmonische Wellen. Den kleinsten Abstand zweier Teilchen mit gleicher Schwingungsphase bezeichnet man als Wellenlänge λ. Bei der transversalen Welle haben daher zwei benachbarte „Wellenberge“ den Abstand λ. Beispiele für Transversalwellen sind Wellen an der Oberfläche von Wasser, Wellen entlang gespannter Seile und Oberflächenwellen bei Erdbeben. Die Oszillatoren sind die Materieteilchen, zum Beispiel die Wassermoleküle an der Oberfläche eines Sees. Die Oberflächenspannung bewirkt, dass die Wasseroberfläche eine Minimalfläche aufweist, im Normalfall also eben ist. Werden die Wasserteilchen aus ihrer Gleichgewichtslage gebracht, versuchen sie diese wiederherzustellen und beginnen hinauf und hinunter zu schwingen. Die Schwingungsenergie wird mit einiger Verzögerung auf die benachbarten Teilchen übertragen, es breitet sich eine Welle aus. Große Wasserwellen können nicht in dieser einfachen Weise erklärt werden. Die Trägheit der Wassermassen und ihr Gewicht sowie Wind und Wassertiefe beeinflussen die Form der Welle und ihre Ausbreitung. 45.1 Gekoppelte Pendel. Die Energieübertragung (Kopplung) erfolgt hier mittels Feder. 45.2 Wellenmaschine 45.3 Entstehung einer Transversalwelle y y y x x x c c c c v λ λ 45.4 Bildung einer fortschreitenden Transversalwelle. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Zeit t 45 Wellen 2 Mechanische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
RkJQdWJsaXNoZXIy MjU2NDQ5MQ==