Welle (Physik)

Eine Welle ist im physikalischen Sinne eine Art der Energieausbreitung: Sobald ein Raumpunkt zwei Energie-Formen annehmen kann, die sich zyklisch ineinander umwandeln können, kann er als Oszillator aufgefasst werden. Eine Welle bedeutet zeitlich und örtlich periodische Veränderungen einer physikalischen Größe g(t,x). Wenn benachbarte Raumpunkte dieselbe Fähigkeit besitzen, und eine Kopplung zwischen den beiden Oszillatoren besteht, dann kann die Energie im Laufe der Zeit von einem zum nächsten Oszillator abwandern, und weiter zu einem dritten, usw. Dieses Ausbreitungs-Phänomen nennt man Welle.

Anschauliches Modell

Viele Pendel sind in einer Reihe aufgehängt und mit Gummifäden verbunden. Ein einzelnes Pendel kann Lageenergie speichern (wenn es weit ausgelenkt ist) oder Bewegungsenergie (wenn es sich gerade durch den Nullpunkt bewegt). Beim Pendeln wandeln sich diese beiden Energieformen ineinander um.

Wird nun ein Pendel angestoßen, wird es kurz alleine pendeln, jedoch durch die Gummi-Fäden im Laufe der Zeit seine Nachbarn mit anregen, bis diese sogar stärker pendeln. Im Laufe der Zeit wird sich das "Pendeln" als Welle über alle Pendel ausbreiten.

Grundgleichungen

Zwischen der Frequenz f der Oszillatoren und der Schwingungsdauer T, d.h. der Zeit, nach der sich die gleiche Schwingungsphase (zeitlich) wiederholt, besteht der Zusammenhang

._

Zwischen der Frequenz f der Oszillatoren und der Wellenlänge λ, d.h. der Strecke, nach der sich die gleiche Schwingungsphase (räumlich) wiederholt, besteht der Zusammenhang

,

wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Die Grundgleichungen können anhand einer grünen Welle (Ampelschaltung im Straßenverkehr) gut veranschaulicht werden.

Wellen werden mathematisch durch Wellengleichungen beschrieben.

Wellentypen

• Transversalwelle: Eine Transversalwelle ist eine Welle, bei der Auslenkung und Ausbreitungsgeschwindigkeit senkrecht aufeinander stehen.
• Longitudinalwelle: Bei einer Longitudinalwelle sind Ausbreitungsrichtung und Auslenkung parallel zueinander.

Man Unterscheidet außerdem:

• Druckwellen: Der Druck eines Mediums oszilliert in einer bestimmten Frequenz. Ein Beispiel hierfür ist Schall.
• Oberflächenwellen: Die Oberfläche eines Mediums oszilliert in einer bestimmten Frequenz, meist unter Einwirkung der Gravitation oder der Oberflächenspannung. Ein Beispiel hierfür sind Wasserwellen (Seegang).
• Elektromagnetische Wellen: Energie-Quanten (Elektronen, Photonen) verhalten sich auch wie Wellen (siehe Welle-Teilchen Dualismus). Einfache Beispiele sind Licht und Rundfunk.

Beispiele

Seegang:

Energieformen: Lageenergie des Wassers und Bewegungsenergie des Wassers.

Schallwellen:

Energieformen: Druck und Schnelle der Luft.

Licht (Elektromagnetische Wellen):

Energieformen: elektrische Feldenergie und magnetische Feldenergie.

Autowellen

Energieformen: Ionenströme an biologischen Membranen und Redoxreaktionen in chemischen Diffusions-Reaktions-Gemischen

Phänomene aus dem Bereich der Wellenlehre

• stehende Wellen
• Welle-Teilchen-Dualismus
• Wellenausbreitung in Hohlleitern
• Beugung
• Interferenz
• Polarisation
• Longitudinal- und Transversalwellen