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Entstehung mechanischer Wellen

Erfahre, was Wasserwellen, Gitarrenklänge und Erdbeben gemeinsam haben: sie sind mechanische Wellen! Entdecke ihre Definition, den Zusammenhang von Schwingungen und Wellen, sowie die Orte, an denen sie auftreten. Interessiert? All das und vieles mehr im folgenden Video!

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Die Autor*innen
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Georg Hoffmann
Entstehung mechanischer Wellen
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Entstehung mechanischer Wellen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Entstehung mechanischer Wellen kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Definition der mechanischen Welle.

    Tipps

    Stelle dir eine stehende Welle vor, die mit einem Springseil erzeugt wird. Was breitet sich da aus und was wird dabei übertragen?

    Lösung

    Was ist eine mechanische Welle?

    Eine mechanische Welle ist die räumliche Ausbreitung einer Schwingung, bei der Energie übertragen, jedoch kein Stoff transportiert wird.

    Das bedeutet, das mechanische System kann zwar schwingen, wobei sich zwangsläufig auch Masse bewegt, aber letztendlich schwingt diese dabei nur auf und ab.

    Bringt man z.B. ein Seil zum Schwingen, so wird das Seil nicht verschwinden. Die Schwingung pflanzt sich lediglich an dem Seil entlang fort. Sie breitet sich also räumlich aus.

  • Ordne den Schwingungen deren Übertragungsmedien zu.

    Tipps

    Mit der Perlenkette ist gemeint, dass eine Kette z.B. mit der Hand hin und her ausgelenkt wird.

    Lösung

    Mechanische Schwingungen müssen sich in einem Medium fortpflanzen. Bei der Schallausbreitung wird die Schwingung von einem Luftteilchen zum anderen übertragen. Beim Wasser ist es ebenso, genau wie beim Erdbeben.

    Bei der Perlenkette bewegt sich die Kette hin und her, wodurch eine Schwingung entsteht. Das Medium ist dabei die Kette selbst bzw. das Band, das die Kettenglieder zusammenhält.

  • Beschreibe die Bewegungen eines mechanischen Schwingers.

    Tipps

    Auch wenn die Massepunkte schwingen, bewegen sie sich nur um ihre Ruhelage und bleiben fest am gleichen Fleck.

    Die Schwinger stellen den Stoff dar.

    Lösung

    Solch eine Schwingung ist ein einfaches Musterbeispiel. Mechanische Schwingungen treten in der Mechanik aber dauernd auf.

    Da sie gekoppelt sind, bringt ein Schwinger den anderen mit etwas Verzögerung auch zum Schwingen. Dabei bildet sich eine Sinusschwingung aus.

    Da diese Schwinger fest sind und nur um ihre Ruhelage schwingen, findet kein Stofftransport statt. Aber wie oben beschrieben, wird die Schwingung durch die Kopplung fortgepflanzt.

  • Ordne die Wellentypen ihrem Schwingungsmuster zu.

    Tipps

    Schaue dir die Beschriftungen an und überlege, welche dieser Wellen gleichmäßiger, und welche chaotischer sein könnten.

    Lösung

    Betrachtet man verschiedene Wellen mittels Oszilloskop, so kann man anhand des Graphs bereits ein paar Vermutungen anstellen.

    Natürlich lassen sich Wasserwellen nicht einfach an ein Oszilloskop anstöpseln, aber man kann ihre Schwingform auch so erkennen. Sie ist recht chaotisch zackig. Die eines Wassertropfens, der auf Wasser trifft, ist dagegen sehr gleichmäßig, da sich die Wellen nicht gegenseitig beeinflussen.

    Auch bei Schallwellen kann man so unterscheiden: Geräusche sind ein Wirrwarr an Frequenzen und Schwingungen. Periodische Wellen wie Klänge und Töne folgen dagegen einem sich wiederholenden (periodischen) Muster.

    Und zu guter Letzt: die harmonische Welle, also z.B. eine einfache Sinusschwingung.

  • Nenne Beispiele für mechanische Schwinger.

    Tipps

    Licht ist eine Welle.

    Welche dieser Schwinger gehören in die Mechanik.

    Lösung

    Es gibt sehr viele mechanische Schwinger, aber nicht alles ist mechanisch.

    Bei einer Schaukel schwingt man hin und her. Auch die Stimmgabel und die Gitarrensaite machen das, nur schneller. Dadurch entsteht dann auch eine Frequenz, die wir als Ton wahrnehmen. Bei der Schaukel ist die Schwingfrequenz dagegen viel zu niedrig, man hört höchstens den Luftzug pfeifen.

    Auch das Pendel ist ein Musterbeispiel für eine einfache mechanische Schwingung.

    Die Radioantenne bzw. der Radiosender sendet elektromagnetische Wellen also Funkwellen aus. Das sind keine mechanischen Wellen. Licht ist auch eine Welle, nur viel hochfrequenter.

  • Berechne die Auslenkung des Schwingers zur Zeit t.

    Tipps

    Die Kreisfrequenz ist $\omega = \dfrac{2\pi}{T}$.

    Lösung

    Wie bestimmt man nun, wie weit ein mechanischer Schwinger zu einem beliebigen Zeitpunkt ausgelenkt ist?

    Na mit dieser Gleichung:

    $s_{t_1}=s_{max}\cdot \sin(\omega t_1)$,

    wobei $s_{max}$ die maximale Auslenkung und $\omega = \dfrac{2\pi}{T}=10 \pi \dfrac{1}{~\text{s}}$ ist.

    Also:

    $s_{t_{1}}=7~\text{cm}\cdot \sin(10\pi \dfrac{1}{~\text{s}}\cdot 2~\text{s})=7~\text{cm}\cdot \sin(20\pi)=6,2~\text{cm}$.

    Nach 2 Sekunden ist der Schwinger also um 6,2 Zentimeter ausgelenkt.