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Transkript Mechanische Welle – Schallwelle

Hallo! Ich bin euer Physik Siggi, und werde euch heute erklären, was eine mechanische Welle ist. Dazu werdet ihr zuerst die mechanische Schwingung wiederholen und letztendlich die mechanische Welle am Beispiel der Schallwelle verstehen. Außerdem werde ich euch sagen, was Töne voneinander unterscheidet. Es wäre dabei gut, wenn ihr schon mein Video über die Schwingungen gesehen habt. Ich habe euch in einem anderen Film schon das Prinzip einer Schwingung erklärt. Eine Feder ändert ihren Aufenthaltsort mit der Zeit, sobald sie aus ihrer Ruhelage gebracht wurde. Man sagt, sie schwingt periodisch um die Ruhelage. Periodisch bedeutet, dass sich der Bewegungsvorgang nach einer Periode, also nach der Dauer einer Schwingung, wiederholt. Zum Zeitpunkt 0 s wird das Pendel aus der Ruhelage gebracht und losgelassen. Danach ändert sich die Größe der Auslenkung mit der Zeit. Nach 1 s schwingt das Pendel an der Ruhelage vorbei, nach 2 s ist es darüber hinaus bis zum maximalen Punkt geschwungen, nach 3 s ist es wieder in der Ruhelage und nach 4 s ist es wieder am Ausgangsort. Die Schwingungsdauer sind 4 s, die Frequenz nach f=1/t 1/4 Hz und die Amplitude sind 2 m. Das ist die mechanische Schwingung. Was ist nun die mechanische Welle? Die mechanische Welle ist die Ausbreitung einer mechanischen Schwingung im Raum. Das bedeutet, dass sich eine Schwingung im Raum überträgt. Zum Beispiel könnt ihr diese Feder schwingen lassen. Wie kann sich diese Schwingung im Raum ausbreiten? Ich brauche dafür ein Medium, in welchem sich die Schwingung von einem Körper zum nächsten überträgt. Befestige ich am unteren Ende der Feder eine Perlenkette, so überträgt sich die Schwingung auf die 1. Perle. Jedoch schwingt diese Perle etwas später los als das Pendel. Die 1. Perle überträgt ihre Schwingung auf die 2. Perle, jedoch schwingt diese damit auch etwas später los. So breitet sich die Schwingung von Perle zu Perle aus, bis sie schließlich eine 2. Feder zum Schwingen bringen kann. Jede einzelne Perle führt nun eine Schwingung aus. Jedoch bildet die ganze Kette eine Welle. Betrachten wir ein Standbild, zum Beispiel nach 3s. Die 1. Perle ist ganz unten, die 3. in der Mitte, die 4. ganz oben, die 7. wieder in der Mitte und schließlich die letzte wieder ganz unten. Dies ist eine Welle. Sie wird durch das Wellental und den Wellenberg beschrieben. Ihre Größe ist die Amplitude. Ihre wichtigste Größe ist die Wellenlänge. Sie ist der Abstand zwischen 2 Perlen, die parallel zueinander schwingen, also im Standbild die gleiche Auslenkung haben. Was haben wir gelernt? Die mechanische Schwingung ist die Änderung des Aufenthaltsortes eines Schwingers mit der Zeit. Die mechanische Welle ist die Ausbreitung dieser mechanischen Schwingung im Raum. Es gibt einen wichtigen Zusammenhang. Die Frequenz der Schwingung × die Länge der Welle = der Geschwindigkeit, mit der sich die Schwingung ausbreitet, der Ausbreitungsgeschwindigkeit. Ihr kennt das, wenn ihr im Meer auf der Stelle schwimmt. Ihr schwingt genau wie das Wasser um euch herum die ganze Zeit auf der Stelle auf und ab. Ihr könnt jedoch den ganzen Ort entlang bis zum Strand eine Welle mit Bergen und Tälern sehen. Die Schwingung des Wassers um euch herum wird bis zum Strand übertragen. Es gibt 2 Arten solcher Wellen. Die Querwelle wie die der Perlenkette oder der Gitarrensaite wird auch transversale Welle genannt. Hier ist die Ausbreitungsrichtung senkrecht zur Schwingungsrichtung, und die Längswelle, auch longitudinale Welle genannt. Hier ist die Ausbreitung parallel zur Schwingung. Ein Beispiel. Ihr zupft die Gitarrensaite nur an einer Stelle an, jedoch schwingt die ganze Saite. Das ist eine transversale Welle. Dabei entsteht ein Ton. Dieser ist eine Schallwelle. Eine Schallwelle ist eine Druckwelle. Ein Wellental ist bei der Druckwelle der Bereich mit wenig Druck, und der Wellenberg der Bereich mit viel Druck. Diese Änderung der Größe des Drucks verläuft dabei in die gleiche Richtung wie die Ausbreitung des Drucks. Die Welle ist longitudinal. Der Druck wird von Luftmolekülen erzeugt. Die Schwingung der Saite wird auf die Luftmoleküle übertragen, das heißt die erste Reihe der Luftmoleküle wird angestoßen und schwingt in Ausbreitungsrichtung zur zweiten Reihe von Luftmolekülen. Im Standbild sind nun an dieser Stelle viele Luftmoleküle und an der Stelle der Saite wenig Luftmoleküle. Viele Moleküle bedeutet viel Druck, wenig Moleküle heißt wenig Druck. Ihr kennt das, wenn sich viele Menschen in einen Raum pressen, dann herrscht dort viel Druck. Sind allerdings nur wenig Menschen im Raum, dann herrscht dort wenig Druck. Zurück zur Druckwelle. Nach einer halben Schwingung der ersten Luftmoleküle wurde also die Schwingung an die zweite Reihe übertragen. Die 1. Reihe schwingt zurück und die 2. Reihe schwingt in Ausbreitungsrichtung zur 3. Reihe und überträgt die Schwingung an diese 3. Reihe. Nun ist an dieser Stelle wenig Druck und an der Stelle rechts viel Druck. Die Schwingung breitet sich also immer weiter aus. Es entsteht eine Schallwelle. Am Ende dieser Welle erreicht die Stelle mit dem großen Druck unser Ohr und regt dort letztendlich das Trommelfell zum Schwingen an. Die Art der Schwingung interpretiert dann unser Gehirn als Ton. Dieser Ton kann hoch und tief und laut und leise sein. Wenn das Trommelfell zu schnellen Schwingungen angeregt wird, die Frequenz also groß ist, so ist der Ton hoch. Bei einer langsamen Schwingung ist der Ton niedrig, also f klein. Eine dünne Gitarrensaite schwingt schnell, eine dicke langsam. Dabei ist die Frequenz nur abhängig von der Länge und Dicke der Saite und nicht abhängig von der Größe der Auslenkung der Saite. Zupft ihr stark an der Saite, so ist die maximale Auslenkung groß und der Ton laut. Zupft ihr dagegen nur ein bisschen an der Saite, so ist die Amplitude klein und der Ton leise. Bei großer Auslenkung werden die Luftmoleküle viel stärker zusammengedrückt, der Druck ist also groß und der Ton demnach auch. Übrigens ist die Ausbreitung des Drucks in der Luft 330 m/s groß. Dieser konstante Wert ist immer das Produkt aus der Frequenz der Schwingung und der Wellenlänge ?. Menschen können Tonhöhen von 16 Hz bis 20.000 Hz hören. Katzen können Töne mit 60.000 Hz wahrnehmen. Ich hoffe, ihr könnt nun verstehen, warum ein Blitz 1 km weg ist, wenn man der Donner erst 3 s danach hört. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.

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1 Kommentar
  1. Img 1151

    hallo :)) ich habe eine frage und zwar : wenn an wolkenlosen sommertagen die sonne zehn stunden lang scheint , dann ist insgesamt eine energie von 18MJ pro Quadrat meter eingestrahlt worden. um wie viel erhöht sich dadurch die temperatur im schwimmbecken ( Wassertiefe 2,5m) und im Planschbecken ( wassertiefe 0,8 m)?

    Von Cerenalsulu, vor etwa 3 Jahren