Wellen­physik

Ausbreitung

Eine Welle breitet sich von ihrem Entstehungsort in alle Richtungen aus: bei Oberflächenwellen wie Wasserwellen ringförmig entlang einer Oberfläche, bei anderen Wellen in alle Raumrichtungen. Treffen sie auf ein Hindernis, werden sie um dieses herumgebogen (Beugung). Deshalb können wir Schallwellen um eine Hausecke herum hören.

Energie

Je grösser die Energie einer Schallwelle ist, desto höher ist ihre Lautstärke. Physikalisch bedeutet das: Die Welle schwingt stärker, d. h. mit einer grösseren Amplitude. Schwingt sie schneller (höhere Frequenz), überträgt sie im gleichen Zeitraum mehr Energie: Der Ton ist höher.

Die Intensität einer Welle beschreibt, wie viel Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt auf eine bestimmte Fläche trifft: Je mehr Autolärm z. B. unser Trommelfell erreicht, desto intensiver ist er.

Dämpfung

Die Energie einer Welle nimmt mit ihrer Ausbreitung ab – sie wird gedämpft. Dies geschieht einerseits, weil sich die Wellenfront immer weiter ausbreitet, sodass sich die Energie auf ihr immer mehr verteilt. Darum ist es umso dunkler, je weiter wir von einer Lichtquelle entfernt sind. Andererseits verlieren Wellen beim Kontakt mit Materie Energie – sie wird «verschluckt » bzw. absorbiert: Sonnenlicht wird in Wasser zunehmend gedämpft, wodurch es im tiefen Ozean stockfinster ist. Die Absorption geschieht umso rascher, je schneller eine Welle schwingt. Darum reichen höhere Töne weniger weit und aus der Ferne hören wir von einem Musikfestival nur die tiefen Bässe.

Interferenz

Treffen Wellen gleichen Typs aufeinander, überlagern sich ihre Schwingungen – sie interferieren: Zwei gleiche Wellenberge türmen sich zu einem doppelt so hohen auf; gleiche Wellenberge und -täler löschen sich aus. Die Überlagerung ist nur kurzfristig und hat keinen Einfluss auf die weitere Wellenausbreitung. An einem Ort, an dem sich viele Wellenberge überlagern, konzentriert sich viel Energie: Man spricht von Fokussierung.

Frequenz

Gehalt

Bei der Entstehung einer Welle wird bestimmt, wie schnell sie schwingt (Frequenz). Da in der Regel verschiedene Schwingungen gleichzeitig entstehen und sich überlagern, enthalten Wellen meist verschiedene Frequenzen. Welche Frequenzen eine Welle enthält, gibt ihr Frequenzgehalt an. Weisses Licht z. B. ist eine Überlagerung aller Farben. Auch Wellen aus verschiedenen Quellen können sich überlagern: Es entsteht eine «neue» Welle mit neuem Frequenzgehalt.

Frequenz

Änderung

Der Frequenzgehalt ändert sich bei der Wellenausbreitung, weil Frequenzanteile «verloren» gehen: Einerseits geschieht dies durch Dämpfung – und zwar je nach Frequen unterschiedlich schnell. Andererseits können die Frequenzanteile auseinanderlaufen, z. B. wenn ein Prisma weisses Licht in seine Farben zerlegt. Auch ändert sich der Frequenzgehalt, wenn sich der Entstehungsort der Welle bewegt (Doppler- Effekt): Vor ihr «drückt» sie die Wellen zusammen, die Frequenz wird höher. Hinter ihr «zieht» sie die Wellen auseinander, die Frequenz wird niedriger.

Geschwindigkeit

Die Wellengeschwindigkeit beschreibt, wie schnell sich die Wellenenergie ausbreitet. Dies ist fast nur vom Wellentyp abhängig, wobei elektromagnetische Wellen und Gravitationswellen die schnellsten sind. Eine weitere Rolle spielt, worin sich die Welle ausbreitet: in heissem Gestein, kaltem Wasser, warmer Luft, im Vakuum usw. Aus der Geschwindigkeit und der Zeit, die eine Welle unterwegs ist, kann man den zurückgelegten Weg berechnen.

Wellenlänge

Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei Wellenbergen. Sie wird von der Frequenz und der Geschwindigkeit einer Welle bestimmt: je höher die Frequenz, desto kleiner die Wellenlänge («enge» Schwingung). Ebenso ist die Wellenlänge umso kleiner, je langsamer die Welle sich ausbreitet. Bei der Ausbreitung ändert sich die Wellenlänge nur, wenn sich die Geschwindigkeit ändert – z. B. beim Eintritt in ein neues Material. Die Frequenz bleibt dabei gleich.

Die Wellenlänge bestimmt, wie eine Welle auf ein Objekt reagiert. Ist die Wellenlänge viel grösser als ein Objekt, «übersieht» die Welle dieses. Um die Ausbreitung einer Welle zu beeinflussen, muss ein Objekt in derselben Grössenordnung liegen wie die Wellenlänge oder grösser sein.

Reflexion

Trifft eine Welle auf ein neues Material, wird ein Teil hindurchgelassen; der andere Teil wird zurückgeworfen (reflektiert). Dabei ist der Winkel, mit dem die Welle reflektiert wird, gleich dem, mit dem sie auftrifft. Ein Spiegel reflektiert Licht fast vollständig und lässt fast nichts hindurch.

Refraktion

Die Ausbreitungsrichtung einer Welle ändert sich, wenn die Welle in ein anderes Material hineinläuft: Die Welle wird gebrochen bzw. refraktiert. Dies geschieht, weil sich im neuen Material ihre Geschwindigkeit und dadurch ihre Wellenlänge ändert. Tritt z. B. Licht von Wasser in Luft über, wird es schneller und seine Wellenlänge damit grösser: Die Wellenberge rücken auseinander und die Wellenfront erhält eine neue Form. Zeichnet man die Ausbreitungsrichtung der Wellen als Strahl senkrecht zur Wellenfront ein, wird deutlich, dass die Welle gebrochen wird.

Dispersion

Die Frequenzanteile einer Welle unterscheiden sich nicht nur in ihren Frequenzen, sondern auch in ihrem Verhalten (Dispersion). Zum Beispiel breiten sie sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Das führt dazu, dass sie beim Übergang in ein anderes Material unterschiedlich gebrochen werden. So kann weisses Licht in die einzelnen Regenbogenfarben zerlegt werden.

Polarisation

Scherwellen sind besonders, denn sie können polarisiert sein. Ist eine Scherwelle unpolarisiert, kann sie in alle Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Eine polarisierte Scherwelle hingegen schwingt nur in bestimmte Richtungen – wie ein Seil, das nur auf und ab und nicht seitwärts schwingt.