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Longitudinalwelle
Eine Longitudinalwelle, auch Längswelle, ist eine physikalische Welle, die in Ausbreitungsrichtung schwingt. Das Standardbeispiel für Longitudinalwellen ist …
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Grundidee
Eine Longitudinalwelle, auch Längswelle, ist eine physikalische Welle, bei der die Schwingungsrichtung mit der Ausbreitungsrichtung übereinstimmt. Die Teilchen des Mediums bewegen sich also vor und zurück in derselben Richtung, in der sich die Welle ausbreitet. Das Gegenstück ist die Transversalwelle: Bei ihr steht die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.
Das Standardbeispiel für Longitudinalwellen ist Schall in Gasen oder Flüssigkeiten. Longitudinalwellen sind wichtig, weil sie erklären, wie Druckänderungen, etwa beim Hören von Schall oder bei bestimmten Erdbebenwellen, durch ein Medium weitergegeben werden.
Ausbreitung im Medium
Longitudinalwellen sind Druckwellen. Dabei wandern Zonen mit Überdruck oder Druckspannung sowie Zonen mit Unterdruck oder Zugspannung in Ausbreitungsrichtung durch das Medium.
Die einzelnen Teilchen des Mediums, also Atome oder Moleküle, schwingen in Ausbreitungsrichtung um den Betrag der Amplitude hin und her. Die Amplitude ist die maximale Auslenkung aus der Ruhelage. Nach dem Durchlauf der Schwingung kehren die Teilchen wieder in ihre Ruhestellung, die Gleichgewichtslage, zurück.
Durch die Ausbreitung der Schwingung geht keine Energie verloren, abgesehen von Reibungsverlusten zwischen den Teilchen.
Amplitude, Abstand und Leistung
In einem gestreckten Körper, zum Beispiel in einer Feder, einem Band, einem Stab oder einem Draht, ist der Betrag der Amplitude an allen Stellen des Mediums gleich.
Wenn sich eine Longitudinalwelle von einer konzentrierten Quelle in den Raum ausbreitet, nimmt die Leistungsdichte mit dem Quadrat des Abstandes von der Quelle ab. Der Grund ist, dass die vom Raumwinkel eingeschlossene Fläche mit dem Abstand quadratisch wächst.
Die Leistung einer Longitudinalwelle ist proportional zum Quadrat der Amplitude der Auslenkung oder der Druckspannung. Wichtige verwandte Begriffe sind Schalldruck und Schallschnelle.
Typische Beispiele
Mechanische Longitudinalwellen können sich in jedem Medium ausbreiten: in festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen.
Ein typisches Beispiel ist Schall. In Gasen und Flüssigkeiten kann Schall ausschließlich als Longitudinalwelle auftreten.
Vergleich mit anderen Wellen
Longitudinalwellen haben im gleichen festen Medium eine höhere Geschwindigkeit als Transversalwellen des gleichen Typs, wenn die übrigen Parameter gleich sind.
Longitudinale seismische Wellen heißen P-Wellen. Sie treffen bei Erdbeben immer zuerst ein und haben ein geringeres Zerstörungspotential als Transversalwellen. Transversale Wasserwellen können dagegen Tsunamis verursachen.
In Plasmen und in anderen elektrischen Leitern gibt es elektromagnetische Longitudinalwellen neben elektromagnetischen Transversalwellen.
