Wellen breiten sich von einem Erreger aus in einem Stoff bei konstanter Dichte des Stoffes und konstanter Temperatur geradlinig aus (Bild 2). Es bilden sich Wellenfronten.
Die Ausbreitung der Wasserwellen erfolgt senkrecht zu den Wellenfronten.
Aus Bild 3 ist erkennbar, wie sich Wellenfronten
und Ausbreitungsrichtung zueinander verhalten. Die Wellenfronten entsprechen
den Wellenbergen. Ihre Ausbreitung erfolgt vom Erregerzentrum weg und
damit senkrecht zu den Wellenfronten. Die Senkrechte auf den Wellenfronten
wird in der Physik als Wellennormale
bezeichnet.
Ändern sich Dichte oder Temperatur eines Stoffes, so ändert
sich im Allgemeinen auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Damit kann sich
auch die Ausbreitungsrichtung ändern.
Ausbreitungsgeschwindigkeit
mechanischer Wellen
Eine Welle ist die Ausbreitung einer Schwingung im Raum. Eine solche Schwingung
breitet sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit, der Ausbreitungsgeschwindigkeit
v (manchmal auch als c
bezeichnet), aus. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v
mechanischer Wellen kann berechnet werden mit der Gleichung:
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist sehr unterschiedlich und hängt in starkem Maße von den jeweiligen Bedingungen ab. In der nachfolgenden Übersicht sind einige Ausbreitungsgeschwindigkeiten zusammengestellt.
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Ausbreitungsgeschwindigkeit
mechanischer Wellen
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Reflexion mechanischer Wellen
Treffen mechanische Wellen auf ein Hindernis, so werden sie reflektiert.
Das kann man z. B. beobachten, wenn Schallwellen auf eine Fläche
treffen (Bild 4) oder Wasserwellen schräg auf eine Mauer treffen.
Für die Reflexion mechanischer
Wellen gilt das Reflexionsgesetz:
Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß.
Die Reflexion von mechanischen Wellen spielt insbesondere beim Schall
eine Rolle. Ein Echo oder Nachhall kommt durch Reflexion zustande. Schall
kleiner Wellenlänge (Ultraschall) wird genutzt, um Fischschwärme
zu orten, die Meerestiefe zu messen (Echolot)
oder um Ultraschalluntersuchungen durchzuführen.
Auch die Orientierung von Fledermäusen erfolgt so, dass von ihnen
Ultraschallwellen abgegeben werden, diese an Hindernissen reflektiert
und von den Fledermäusen wieder aufgenommen werden. Die Fledermäuse
sind dadurch in der Lage, Hindernisse und Beutetiere zu erfassen.
Brechung mechanischer Wellen
Gehen mechanische Wellen von einem Stoff in einen anderen Stoff über,
so verändern sie im Allgemeinen ihre Ausbreitungsrichtung. Sie werden
gebrochen (Bild 5). In welcher Richtung die Brechung
erfolgt und wie stark sie ist, hängt vom Einfallswinkel sowie von
den Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den beiden Stoffen ab.
Es gilt das Brechungsgesetz:
Beugung von mechanischen Wellen
Treffen mechanische Wellen auf einen Spalt oder eine Kante, so breiten
sie sich "um die Ecke" aus (Bild 6). Diese Erscheinung wird
als Beugung bezeichnet.
Beugung kann man ständig beobachten: Geräusche eines Autos oder
Stimmen von Personen hört man beispielsweise auch dann, wenn man
hinter einer Hausecke steht.
Beugung ist eine wellentypische Erscheinung, d. h., sie tritt nur bei
Wellen auf. Damit gilt auch umgekehrt: Wenn Beugung auftritt, kann man
daraus folgern, dass Wellen vorliegen.
Wellen, die von verschiedenen Erregern ausgehen, können sich überlagern oder - wie es in der Physik heißt - interferieren. Dabei entstehen häufig Bereiche der Verstärkung und der Abschwächung oder Auslöschung. Das lässt sich anhand von Wasserwellen auch gut demonstrieren (siehe Bild 1).
Wie solche typischen Bereiche der Verstärkung bzw. der Auslöschung zustande kommen, zeigt Bild 7. Verstärkung tritt dort auf, wo zwei Wellenberge zusammentreffen. Auslöschung tritt dort auf, wo ein Wellenberg und ein Wellental zusammentreffen. Verbindet man Stellen der Verstärkung bzw. der Auslöschung miteinander, so erhält man die in Bild 7 rot eingezeichneten typischen Interferenzstreifen.
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.