Mechanische Wellen
Eine mechanische Welle ist die Ausbreitung einer mechanischen Schwingung im Raum und benötigt ein Medium / eine Materie, um sich auszubreiten.
Voraussetzungen für das Entstehen einer mechanischen Welle:
1. Es müssen schwingungsfähige Körper bzw. Teilchen vorhanden sein.
2. Zwischen den Körpern bzw. Teilchen müssen Kräfte wirken; es muss also eine kräftemäßige Kopplung vorhanden sein.
3. Mindestens einer der Körper bzw. Teilchen muss zu Schwingungen angeregt werden, d. h. es muss Energie zugeführt werden.
Es gibt 2 verschiedene Arten von mechanischen Wellen:
Transversalwelle (Querwelle):
Die Schwingungen der Oszillatoren (Teilchen) erfolgen senkrecht (quer) zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Beispiele hierfür sind
Wasserwellen.
- Longitudinalwellen (Längswellen): Die Schwingungen der Oszillatoren erfolgen in
Ausbreitungsgeschwindigkeit längs der Welle. Beispiele hierfür sind Schallwellen.
Longitudinalwelle (Längswelle):
Die Schwingungen der Oszillatoren erfolgen in
Ausbreitungsgeschwindigkeit längs der Welle. Beispiele hierfür sind Schallwellen
Phase einer Welle. Beschreibt den Schwingungszustand der Welle an einer bestimmten Stelle.
Wellenlänge: Abstand zweier Punkte mit gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit und gleicher Auslenkung.
T Schwingungsdauer: Zeit, die jeder Oszillator für eine volle Schwingung benötigt.
f Frequenz: Zahl der Schwingungen eines Teilchens in der Zeiteinheit: f =1/T c Geschwindigkeit, mit der sich die Phase
einer Welle ausbreitet.
Interferenz
Wellen, die von verschiedenen Erregern ausgehen, können sich überlagern bzw. interferieren.
Man unterscheidet zwischen Konstruktiver und Destruktiver Interferenz. Die konstruktive Interferenz tritt auf, wenn die Wellenberge der einen Welle genau auf die Wellenberge der anderen Welle treffen. Dabei verstärken sich die beiden Wellen und es entsteht eine Welle mit einer größeren Amplitude.
Die destruktive Interferenz tritt auf, wenn die Wellenberge der einen Welle genau auf die Wellentäler der anderen Welle treffen.
Dadurch entsteht eine Welle mit einer kleineren Amplitude. Wenn die beiden Wellen die gleiche Amplitude haben löschen sie sich gegenseitig aus und es entsteht eine Welle mit der gleichen Amplitude.
Verbindet man Stellen der Verstärkung bzw. der Auslöschung miteinander, so erhält man das typische Interferenzmuster.
Interferenz kann z. B. auftreten, wenn in einem Raumbereich Schallwellen aus Lautsprechern zusammentreffen. Es treten dort Gebiete der Verstärkung und der Auslöschung auf, die man feststellen kann, wenn man seinen Aufenthaltsort ändert.
Der Dopplereffekt Als Dopplereffekt bezeichnet man die Veränderung der
wahrgenommenen oder gemessenen Frequenz von Wellen jeder Art, während sich die Quelle und der Beobachter einander nähern oder voneinander entfernen, sich also relativ zueinander bewegen.
1.) Ruhende Quelle - bewegter Beobachter
Der Schall breitet sich von der ruhenden Schallquelle nach allen Seiten gleich schnell aus.
Bewegt sich der Beobachter auf die Schallquelle zu, so hört er einen Ton mit höherer Frequenz, als der ruhende Beobachter.
Der von der Schallwelle wegbewegte Beobachter hört einen Ton mit niedrigerer Frequenz, als der ruhende Beobachter.
Indem sich der Beobachter in Richtung des Senders bewegt, treffen bei ihm die Wellen in kürzeren Abständen ein, als sie von der Quelle ausgehen. Es liegt eine Wellenlängenverkleinerung bzw. eine Frequenzerhöhung vor.
Wenn sich der Beobachter wieder von der Quelle entfernt, werden die Wellenabstände wieder länger und der bewegte Beobachter hört eine niedrigere Frequenz.
2.) Ruhender Beobachter - bewegte Quelle
Der Schall breitet sich von der bewegten Quelle nach allen Seiten gleich schnell aus. Bewegt sich die Quelle auf einen ruhenden Beobachter zu, so hört dieser den Ton mit höherer Frequenz.
Der höhere Ton bei der Annäherung der Quelle ist dadurch zu erklären, dass die Wellenberge in kürzeren Abständen beim Beobachter eintreffen, d.h. die Wellenlänge wird kleiner und bei fester Schallgeschwindigkeit c damit die gehörte Frequenz f (zur Erinnerung: c = f * λ) größer.
Wenn die Quelle an dem Beobachter vorbeifährt und sich wieder von ihm entfernt, wird die Wellenlänge wieder größer und die Frequenz tiefer.
Luise Wortmann / Julia Spindelmann / Julia Nielebock (13e) Physik, Herr Ralfs (April 2012)
