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Beobachtungen:

Wellen, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Wellenlänge

Als Wellenlänge bezeichnet man den Abstand zwischen zwei Wellenbergen bzw. -tälern.
Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde nennt man Frequenz.

Wellen haben eine Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Beispiel: für die beiden unterschiedlichen Wellenarten Licht und Schall sind es Licht- beziehungsweise Schallgeschwindigkeit.

Doch nicht nur die Art der Welle, sondern auch das Material, in dem sich die Wellen ausbreiten, hat einen Einfluß auf deren Ausbreitungsgeschwindigkeit.
In der Optik nutzt man diese Abhängigkeit aus, um beispielsweise mit einem Glasprisma die Farben des weißen Lichtes in seine Bestandteile zu zerlegen. Rotes Licht hat eine andere Ausbreitungsgeschwindigkeit als blaues. 
(Dispersion) dispersion . Auch mit einem Gitter läßt sich die Verteilung der Wellenlängen sichtbar machen. lichtzerlegung

Das Produkt aus Wellenlänge L  und Frequenz f ergibt die Ausbreitungsgeschwindigkeit c.     c = L * f


Normalerweise findet bei der Ausbreitung von Wellen ein Energietransport (nicht Massentransport) statt. Es gibt aber auch besondere Wellen, die stehenden Wellen, bei denen zwei Wellen gleicher Eigenschaft aufeinanderzulaufen und sich überlagern.
Hier verschwindet der Energietransport, weil in der Summe die Transporte in entgegengesetzten Richtungen sich aufheben.
stehende-welle

Durchläuft die Welle einen Bereich, in dem das Medium für die Ausbreitung andere Eigenschaften hat, dann kommt es in der Regel zu Reflexionen. Hierbei ändert ein Teil oder die gesamte Welle ihre Ausbreitungsrichtung. spiegelung

Was bei optischen Spiegeln gewünscht ist, kann bei der Weiterleitung von hochfrequenten Wellen in einem Kabel unerwünscht sein, wenn beispielsweise an einer schlecht konstruierten Verbindungsstelle zweier Kabelstücke ein Teil der Energie wieder zurückfließt. Für ungehinderte Ausbreitung, d.h. ohne Reflexionen, sollte der Wellenwiderstand einer Leitung überall gleich sein.
Diese Größe ist konstruktionsbedingt und ergibt sich aus den geometrischen Abmessungen sowie aus den Materialeigenschaften der Leitung.

In diesem Sinne muß auch das Ende einer Leitung "unsichtbar" sein, wenn die dorthin fließende Welle nicht wieder zurückreflektiert werden soll, d.h. der Verbraucher oder Empfänger muß für die Welle den gleichen Widerstand wie den Wellenwiderstand der Leitung haben.
In Antennendosen baut man zu diesem Zweck einen "Abschlußwiderstand" ein. Für die Welle erscheint dann die Leitung so, als wäre sie unendlich lang. Denn unendlich lang bedeutet: es dauert unendlich, bis ein Echo zurückkommt, also nie!

Mit anderen Worten, damit es nicht zu Reflexionen kommt, muß der Empfänger im optimalen Fall die Energie von der Leitung komplett übernehmen. Man nennt diesen Zustand Anpassung.

Leitung mit einheitlicher Eigenschaft
 
                               Sender=====================================Empfänger


Leitungen mit wechselnden Eigenschaften erzeugen Reflexionen                        

                                Sender====================----------------------Empfänger


Energieverluste treten auf dem Weg vom Sender zum Empfänger auf, wenn beispielsweise ein Teil der Energie in Wärme oder andere Strahlung umgewandelt wird oder die Leitung auch seitlich abstrahlt.
Im Fall von Reflexionen geht die Energie nicht verloren, sie kommt nur nicht beim Empfänger an. Der Sender wird sie nicht los, weil sie dorthin wieder zurückkommt.



Eigenschaften von Wellen:

Schwingungsrichtung in Richtung der Ausbreitung oder dazu senkrecht,
longitudinal bzw. transversal.

Damit sich eine Welle ausbreiten kann, muß permanent ein Austausch zwischen zwei unterschiedlichen Energiespeichern stattfinden.

Schallwellen
in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern
Es bewegen sich gekoppelte Masseteilchen um eine Ruhelage, dabei findet ein ständiger Wechsel
    von Lage- und Bewegungsenergie ab.
(Beispiel: Feder-Masse-System, hier wirkt die Feder als rückstellende Kraft) 

Elektromagnetische Wellen
in Vakuum, Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern
Es ändern sich permanent elektrisches und magnetisches Feld im Wechsel, damit gibt es einen ständigen Austausch
   von elektrischer und magnetischer Energie.

Alfvén-Wellen
Wellen durch Kopplung von mechanischen mit elektromagnetischen Energien:
geladene Masseteilchen bewegen sich im Magnetfeld, dabei wirkt das Magnetfeld als rückstellende Kraft  (magneto-hydrodynamische Wellen, Alfvén-Wellen)

????? weitere Wellen
        geladene Masseteilchen im elektrischen Feld,
        Ladungsverschiebung durch mechanische Kraft, Piezo-Effekt,
        Magnetfeld bewirkt Verschiebung von magnetischen Atomen, Magnetistriktion

Verknüpfung unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften/Größen zu Wellen

Darstellung der Wechselwirkung untereinander

rot: Schulbuchphysik








  elektrisch magnetisch akustisch Schwerkraft Teilchen aus Weltall (Kosmos) Teilchen aus der Erde
elektrisch Skalarwellen? elektro-
magnetisch
im Festkörper:
piezoelektrisch
? ? ?
magnetisch   ? im Gas:
Alfven-Wellen, im Festkörper:
Magnetostriktion
? ? ?
akustisch   Schall ? ? ?
Schwerkraft   Schwerkraft-
wellen?
? ?
Teilchen aus Weltall (Kosmos)
kosmische Teilchen, Sonnenwind, . .  ?
Teilchen aus der Erde   Radioaktivität, Zerfall
             




imk_7717_g.jpg
Abb. 01: Wasserwellen treffen schräg auf einen Uferstreifen. Die abnehmende Wassertiefe beeinflußt die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Dabei ändert sich bei gleichbleibender Frequenz die Wellenlänge. (FB)
imk_7718_g.jpg
Abb. 02: Eine bisher geradlinige Wellenfront im tiefen Wasser bekommt bei schräger Annäherung an das Ufer eine gekrümmte Kontur. Man sagt, die Wellen werden (in ihrer Richtung) gebrochen.
Wellen im flachen Wasser in Ufernähe laufen langsamer als die Wellen im tieferen Wasser. (FB)

wasser-wellen-f-test-solarized-a_g.jpg
Abb. 03: Ein Boot hinterläßt ein Wellenfeld.
Die Wellen breiten sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus.
Für große Wellenlängen gilt:
Wellen mit großer Wellenlänge sind schneller als solche mit kurzer.

Am Ende bleibt offensichtlich eine Welle mit kleiner Wellenlänge  (rechts im Bild) übrig.
(FB)
vlcsnap-9953-a.png
vlcsnap-11084-a.png
Abb. 3a:
Abb. 3b:
Eine kurze Anregung durch zwei Luftströme mit Paketen aus mehreren schnellen Schwingungen auf eine Wasseroberfläche löst zwei Systeme von Kreiswellen aus, die sich überlagern. Das Interferenzmuster in der Mitte mit den kleinen Wellenlängen hat sich schon eingestellt bevor die Wellen mit den großen Wellenlängen diese Region erreicht haben. Abstand der Blasdüsen etwa 8 Zentimeter.

Bei sehr kleinen Wellenlängen macht sich der Einfluß der Oberflächenspannung bemerkbar und die Ausbreitungsbeschwindigkeit ändert sich in umgekehrter Weise wie oben.
Für sehr kleine Wellenlängen gilt:
Wellen mit kleiner Wellenlänge sind schneller als solche mit großer. (FB)
imj_3820_m.jpg
imj_3820-a_m.jpg
Abb. 04: zwei Enten schwimmen auf dem Wasser. Sie erzeugen eine Bugwelle. (FB)
Abb. 05: Die Bugwelle besteht aus kleinen Wellen, deren Ausbreitungsrichtung aber nicht mit der der Bugwelle übereinstimmt.
  (FB)
imh_4949_m.jpg
imh_4948-a_m.jpg
Abb. 06: Torsionspendelkette, demonstriert das Entstehen und Verhalten von Wellen. (FB)
Abb. 07: Eine Reihe von kleinen Pendeln ist auf einer durchgehenden Torsionsfeder (Stahldraht) angebracht. Jedes Pendel kann mit Hilfe dieser Feder einen Teil seiner Energie auf das Nachbarpendel übertragen. (FB)
mvj_9781-001.jpg
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Abb. 08: Bei einer Welle bleiben die Schwinger an ihrer Position, der Ort mit dem größtem Ausschlag verschiebt sich mit der Zeit. (in Richtung Kamera) (FB)
Abb. 09:Die Pendelkette in Bewegung. Vier Bilder jeweils rund 0,2 Sekunden nacheinander aufgenommen. (FB)
imm_0345_g.jpg
Abb. 10: Die Ostsee ist ruhig? Geringer Wind erzeugt kleine Wellen mit kurzer Reichweite.
Die sich diagonal durch das Bild ziehende lang ausgedehnte Welle könnte von Schiffen oder vorheriger Dünung stammen. . . .                            Original date/time: 2008:05:03 10:33:36  (FB)
imm_0343_g.jpg
Abb. 11: . . .  und es gibt noch größere (bezüglich Wellenlänge, Periodendauer) Wellen:
Im Vergleich zum vorherigen Bild ist der Wasserstand hier rund 20 cm tiefer.  
Zeitlicher Abstand der Bilder: etwa 100 Sekunden.               Original date/time: 2008:05:03 10:31:50 (FB)





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