Das Phänomen Welle

Es gibt zahlreiche Wellenvorgänge in der Mechanik, die dem Leser bekannt sein dürften. Dazu gehören zum Beispiel Schallwellen, Wasserwellen, Erdbebenwellen usw.

Definition Welle

Wir wollen uns die Entstehung einer mechanischen Welle genauer anschauen, um die Definition zu verdeutlichen und weitere Erkenntnisse zu gewinnen.

Lassen wir uns dabei von folgender Animation inspirieren.

Dargestellt ist ein System aus Massen (blaue Punkte), die durch ein Seil (rote Line) vernachlässigbarer Masse gekoppelt sind. Die linke Masse wird zum Zeitpunkt $t=0$ in eine Schwingung versetzt.

Entstehung einer Welle

Verhalten der Welle: Wird die erste Masse in Schwingung versetzt, so überträgt sich die Schwingung durch das Seil bzw. die Kopplung auf die anderen Massen. Die vollständige Animation zeigt genau das, was in der Definition angegeben wurde. Es handelt sich um eine räumliche und zeitliche periodische Veränderung, die man in der physikalischen Terminologie als Welle bezeichnet.

Wellen-Charakteristik

Es lassen sich aber noch andere Charakteristika aus der Animation ableiten:

• Die Amplitude (maximale $y$-Auslenkung) hängt von der Erregung ab. Das bedeutet, dass die Amplitude umso höher ist, je mehr Energie in das System gepumpt wird. Denn erinnern wir uns daran, dass es zur Anhebung einer Masse auf der Erde einer entsprechenden Energie (potentiellen Energie) bedarf.
• Die Auslenkung der einzelnen gekoppelten Massen ist nur dadurch möglich, dass Energie über das Seil übertragen wurde. Betrachtet man jedoch die einzelnen Massenpunkte, so bleiben deren $x$-Werte unverändert. Das bedeutet doch, dass kein Transport von Masse in Ausbreitungsrichtung der Welle erfolgt. (Energietransport, aber kein Massetransport)
• Eine weitere auffällige Eigenschaft betrifft die Wellenart. Die Schwingungen der Massen finden senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle statt. Der Physiker spricht hier von einer typischen Transversalwelle.

Wellenarten

Neben der Transversalwelle gibt es noch eine andere Wellenart. Es handelt sich um die sogenannte Longitudinalwelle.

Bei der Longitudinalwelle schwingen die Teilchen parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle.