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Mechanische Welle
Eine mechanische Welle ist die räumliche Ausbreitung einer Schwingung von Materie (mechanische Schwingung). Im Gegensatz zu anderen Wellentypen benötigen …
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Grundidee
Eine mechanische Welle ist die räumliche Ausbreitung einer Schwingung von Materie, also einer mechanischen Schwingung. Sie braucht ein schwingfähiges Medium, zum Beispiel ein Gas, ein Fluid oder einen Festkörper. Ohne ein solches Medium kann sie sich nicht ausbreiten.
Mechanische Wellen transportieren nicht die Teilchen des Mediums selbst, sondern die Energie der anfänglichen Störung. Beispiele sind Wasserwellen, Schallwellen, seismische Wellen und allgemein Vibrationen.
Ausbreitung
Bei der Ausbreitung in einem Medium nimmt die Amplitude, also die Stärke der Auslenkung, mit zunehmendem Abstand von der Quelle ab. Wie stark sie abnimmt, hängt vom Medium und von Übergängen zwischen Medien ab. Wichtige Einflüsse sind Dämpfung, Streuung, Beugung, Reflexion und Refraktion. Auch die Abstrahlungscharakteristik, das sogenannte Geometrical-Spreading, spielt eine Rolle.
Die Frequenz einer mechanischen Welle bleibt bei Phasenübergängen gewöhnlich erhalten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt aber vom Medium ab. Dadurch ändert sich auch die Wellenlänge.
Geschwindigkeit und Medienübergänge
Viele Medien zeigen Dispersion. Das bedeutet, dass sich Wellenanteile je nach Eigenschaften der Welle unterschiedlich schnell ausbreiten können. Deshalb muss man bei mechanischen Wellen häufig zwischen Gruppengeschwindigkeit und Phasengeschwindigkeit unterscheiden.
Beim Übergang zwischen zwei Medien treten bei mechanischen Wellen Reflexion und Brechung auf. Zusätzlich kommt es zwangsläufig zu Wellenkonversion, also zu einer Umwandlung zwischen verschiedenen Wellenarten oder Schwingungsformen.
Wellenarten
Mechanische Wellen können als Transversalwellen oder als Longitudinalwellen auftreten. Bei einer Transversalwelle schwingt das Medium senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Ein Beispiel für eine transversale mechanische Welle ist eine Kapillarwelle.
Bei einer Longitudinalwelle schwingt das Medium in Ausbreitungsrichtung. Ein Beispiel dafür sind Schallwellen in Luft.
Ausbreitung in Stoffen
Mechanische Longitudinalwellen können sich in gasförmiger, flüssiger und fester Materie ausbreiten. Mechanische Transversalwellen treten dagegen nur in Materie mit ausreichend großen Schermodulen auf, typischerweise in fester Materie.
In Feststoffen können mechanische Wellen sowohl transversale als auch longitudinale Schwingungskomponenten enthalten. Seismische Wellen haben zum Beispiel longitudinale Komponenten, die P-Wellen, und transversale Komponenten, die S-Wellen.
