Wellenarten und Wellenformen

Untertitel: Der ganze Wellenzoo

Es gibt viele verschiedene Arten von Wellen und auch viele verschiedene Einteilungsmöglichkeiten. Wir werden hier die Wellen in vier Arten einteilen (Tab. 15.1), wobei wir uns in diesem Band vor allem mit den ersten beiden beschäftigen werden.

1) Da sind zunächst einmal die mechanischen Wellen. Diese sind dir aus dem Alltag sehr vertraut, denn dazu gehören die drei Einleitungsbeispiele: Schallwellen, Wasserwellen und - falls du sie schon einmal erlebt hast - Erdbebenwellen. Bei dieser Art von Welle schwingt Materie, also zum Beispiel die Luft, der Boden oder die Wasseroberfläche. Es schwingt also etwas, was man angreifen und sehen kann. Mechanische Wellen beruhen auf den Newton'schen Gesetzen (siehe Kap. 8, „Big Bang 5“). Diese Wellen sind dir am meisten vertraut und deshalb werden wir uns mit ihnen im Folgenden am häufigsten beschäftigen.

2) Dann gibt es die elektromagnetischen Wellen. Diese sind dir weniger vertraut, obwohl sie ebenfalls alltäglich sind (Abb. 15.7). Das liegt daran, dass du nur einen winzigen Teil davon körperlich wahrnehmen kannst, nämlich sichtbares Licht und Wärmestrahlung. Den überwiegenden Teil kannst du nicht direkt spüren. Im Folgenden wirst du immer wieder Beispiele zu den elektromagnetischen Wellen finden, aber im Wesentlichen werden diese in der 7. bzw. 8. Klasse besprochen.

Überblick über das Spektrum der elektromagnetischen Wellen. Nur einen winzigen Bruchteil davon kannst du wahrnehmen, sichtbares Licht und Wärmestrahlung.

3 + 4) Es gibt noch zwei weitere Arten von Wellen, die hier aufgezählt sind, damit der Überblick komplett ist: Gravitationswellen und Materiewellen. Wir werden diese Wellenformen aber erst viel später genauer besprechen.

Mit Hilfe von gekoppelten Pendeln (F6) kann man zwei Dinge sehr schön zeigen: Erstens, dass eine Welle die Ausbreitung einer Störung ist, und zweitens, dass es zwei mögliche Schwingungsrichtungen gibt: transversal und longitudinal.

Transversal- und Longitudinalwelle und ihre Wellenlänge.

Nimm an, du stupst das erste Pendel quer zur Aufhängung an (Abb. 15.10 a). Weil die Pendel verbunden sind, wird auch das nächste Pendel ausgelenkt, dieses lenkt das übernächste aus und so weiter, immer mit einer kleinen Verzögerung. Die Störung der Ruhelage des ersten Pendels breitet sich als Welle nach rechts aus. Wenn die Pendelkörper quer zur Ausbreitungsrichtung schwingen, dann spricht man von einer Transversalwelle (lat. transversus = quer). Wenn die Pendelkörper auf einer Sinuskurve liegen, dann spricht man zusätzlich von einer harmonischen Schwingung. Die für uns im Alltag wichtigsten Transversalwellen sind die elektromagnetischen Wellen und somit auch das Licht.

Drei weitere Beispiele für Transversalwellen: a) elektromagnetische Welle: hier schwingen elektrisches und magnetisches Feld; b) Flagge im Wind; c) Welle in einer geschwungenen Peitsche (F7).

Wenn du das erste Pendel parallel zur Aufhängung anstupst (Abb. 15.10b), dann breitet sich eine Welle nach rechts aus, die durch „Verdichtungen“ und „Verdünnungen“ gekennzeichnet ist. Wenn die Pendelkörper in Ausbreitungsrichtung schwingen, dann spricht man von einer Longitudinalwelle (lat. longitudo = Länge). Die im Alltag wichtigste Longitudinalwelle ist der Luftschall.

Drei weitere Beispiele für Longitudinalwellen: a) kriechende Raupe; b) Korn im Windstoß c) Schallwelle in der Luft (F7).

Mechanische Longitudinalwellen können sich in allen Medien ausbreiten, also in festen, flüssigen und gasförmigen. Mechanische Transversalwellen können sich aber nur in festen Stoffen und an der Oberfläche von Flüssigkeiten ausbreiten. Diese Tatsache hilft uns bei der Erforschung der inneren Struktur der Erde.