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Mechanische Wellen – Überblick 07:05 min

Textversion des Videos

Transkript Mechanische Wellen – Überblick

Hallo, ich bin Georg und in diesem Video beschäftigen wir uns einmal mit den Arten mechanischer Wellen. Dazu schauen wir uns ein Phänomen aus der Natur an. Nämlich ein Erdbeben. Um konkret zu schauen, welche verschiedenen Wellenarten dabei vorkommen. Dennoch wäre es gut, wenn du schon etwas über die Entstehung von mechanischen Wellen weißt. Wenn es irgendwo auf der Welt ein Erdbeben gibt, dann spricht man von Erdbebenwellen. Oder auch seismischen Wellen. Diese seismischen Wellen werden von sogenannten Seismographen registriert. Diese Geräte können kleinste Erschütterungen wahrnehmen und zeichnen sie auf. Das sieht dann in etwa so aus. Charakteristisch für solche Aufnahmen, sind vor allem diese drei Ausschläge. Um diese Ausschläge gleich besser deuten zu können, gehen wir noch einmal zu unserem Modell der mechanischen Welle über. Mechanische Wellen können sich auf zwei verschiedene Arten ausbreiten. Die erste Möglichkeit ist die Ausbreitung als „Transversale Welle“. Oder auch „Querwelle“. Bei der Transversalen Welle schwingen, wie hier in unserem Beispiel, die einzelnen Federschwinger senkrecht auf und ab. Sie sind durch eine Art Gummiband miteinander verbunden. Die Schwingungsenergie kann somit an die nächste Feder weitergegeben werden. Die Welle, die sich dadurch ausbreiten kann, breitet sich senkrecht zur Schwingungsrichtung aus. Als Beispiel kannst Du dabei immer an ein Stück Schnur denken, das Du an einem Ende hin und her bewegst. Neben den Transversalwellen, gibt es noch die „Longitudinalwellen“. Die Du auch „Längswellen“ nennen kannst. Bei den Longitudinalwellen kannst Du Dir das in etwa so vorstellen, dass die einzelnen Federschwinger in einer Reihe angebracht sind. Wenn wir eine Feder auslenken, dann überträgt sich diese Auslenkung auf die nächste Feder. Und so weiter. Die Welle breitet sich entlang der Schwingungsrichtung der einzelnen Federschwinger aus. Bei einer langen Spiralfeder kannst Du dies sogar direkt beobachten. Diese beiden Schwingungssysteme breiten sich jedoch nur auf einer Linie aus. Es sind „lineare Wellen“. Dieses Prinzip können wir natürlich auch auf eine ganze Fläche von solch gekoppelten Federschwingern ausdehnen. Auch hier können wir wieder Transversalwellen erzeugen. Und auch Longitudinalwellen. Dabei werden jetzt ganze Linien verschoben oder zusammengedrückt. Diese Wellen werden „Flächenwellen“ genannt. Dabei kann die transversale Auslenkung entweder so stattfinden. Oder so wie bei einer Zielflagge beim Autorennen. Du kannst ja einmal versuchen, ob Du solche transversalen Flächenwellen mit einem Handtuch hinbekommst. So, jetzt packen wir eine weitere Ebene dazu. Wir befinden uns nun in unserem alltäglichen, dreidimensionalen Raum. Auch hier gibt es longitudinale und transversale Wellen. Es handelt sich also um „räumliche Wellen“. Ein Beispiel für räumliche Longitudinalwellen sind Schallwellen in Luft oder Wasser. Da Schall sich ja kugelförmig in alle Richtungen ausbreitet. Mechanische Transversalwellen, die sich im Raum ausbreiten, kommen jedoch nur in Festkörpern vor. Dies bringt uns zu unserem Diagramm vom Anfang zurück. Bei einem Erdbeben entstehen genau solche Longitudinalwellen und Transversalwellen. Sie breiten sich in der Erde aus und werden dann von den Seismographen registriert. Dabei wird der erste Ausschlag durch die Longitudinalwellen verursacht. Daher nennt man diese Wellen auch „Primärwellen“. Der zweite Peak wird durch die Transversalwellen verursacht. Daher kommt auch der Name „Sekundärwellen“. Zwischen diesen beiden Peaks vergeht etwas Zeit, in der nichts passiert. Wie können wir uns dies erklären? Die Longitudinalwellen und die Transversalwellen haben unterschiedliche „Ausbreitungsgeschwindigkeiten“. Dabei breiten sich die Longitudinalwellen mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von circa fünf bis acht Kilometer pro Sekunde, etwas schneller aus als die Transversalwellen, mit nur drei bis 4,5 Kilometer pro Sekunde. Schauen wir uns noch einmal an, wie durch eine Art Störung in einem Festkörper wie Metall oder auch der Erde, sowohl Longitudinalwellen als auch Transversalwellen entstehen können. Bei einem Erdbeben überlagern sich natürlich die Bewegungsrichtungen, so dass Longitudinalwellen und Transversalwellen sich in alle Richtungen ausbreiten. Was ist nun mit diesem dritten Ausschlag? Hierbei handelt es sich um „Oberflächenwellen“, die eine Überlagerung von longitudinalen und transversalen Wellen sind. Diese Oberflächenwellen breiten sich dem Namen nach, nur an der Erdoberfläche aus. Sie sind zwar die langsamsten Wellen, sorgen aber für die meiste Zerstörung. Woher kommt das? Die Oberflächenwellen klingen nicht so schnell ab, wie die Longitudinal- oder Transversalwellen in der Erde. Das bedeutet, dass sie nach großen Entfernungen noch immer sehr stark sind. Okay, machen wir noch einmal eine kurze Zusammenfassung: Am Beispiel des Erdbebens konnten wir folgende Unterscheidung der Wellen vornehmen. Je nach Dimension gibt es lineare Wellen, Flächenwellen oder Raumwellen. In allen drei Fällen kommen je nach Schwingungs- und Ausbreitungsrichtung, sowohl Longitudinalwellen als auch Transversalwellen vor. Zusätzlich treten bei den räumlichen Wellen noch die Oberflächenwellen auf. Die in unserem Fall eine Überlagerung von longitudinalen und transversalen Wellen waren. Damit sage ich Tschüss und bis zum nächsten Mal.

Mechanische Wellen – Überblick Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Mechanische Wellen – Überblick kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib die Definitionen der möglichen Ausbreitungsrichtungen einer Welle an.

    Tipps

    Stelle dir die Objekte geometrisch vor.

    Lösung

    Über die Geometrie ist diese Aufgabe leicht lösbar.

    Eine Gerade ist linear und hat nur eine Raumrichtung.

    Eine Ebene ist eine planare Fläche und besitzt zwei Raumrichtungen.

    Ein Raum erstreckt sich in alle drei Dimensionen.

  • Gib die Definition von Longitudinal- und Transversalwellen an.

    Tipps

    Überlege in welche Richtung sich der Schwingungserzeuger bewegt, und in welche Richtung die Auslenkung erfolgt.

    Stelle dir die Beispiele praktisch vor.

    Lösung

    Die Transversalwelle unterscheidet sich deutlich von der Longitudinalwelle. Die Erste schwingt auf der Stelle auf und ab und breitet sich daher senkrecht zur Schwingungsrichtung aus. Während sich die Longitudinalwelle in Schwingungsrichtung ausbreitet. Für beide Wellenformen gibt es mehrere Beispiele, auch aus dem Tierreich.

    Eine Schlange bewegt sich in Transversalwellen nach vorne. Nur die Seitenwinder-Klapperschlange schafft es, sich seitlich zu bewegen.

    Schnecken bewegen sich mit einer Longitudinalwelle vorwärts, indem sie ihren Körper kontrahieren und entspannen.

  • Gib die Besonderheiten zum Ausbreitungsmedium an.

    Tipps

    Betrachte die Medien einzeln.

    Was ist mathematisch der Unterschied zwischen Strecke, Fläche und Raum?

    Wellen überlagern sich häufig an einer Mediumsgrenze.

    Lösung

    Man unterscheidet die Wellen anhand von drei Kriterien in Typen.

    1.) Wird ein Medium zur Ausbreitung der Welle benötigt?

    Wenn ja, liegt eine Materiewelle vor.

    Wenn nein, liegt eine elektromagnetische Welle vor.

    2.) Wie verhält sich die Schwingungsrichtung zur Ausbreitungsrichtung?

    Gleich bedeutet, dass eine Longitudinalwelle vorliegt.

    Senkrecht zueinander bedeutet, dass eine Transversalwelle vorliegt.

    Beides bedeutet, dass eine überlagerte Welle vorliegt. An der Oberfläche nennen wir diese Oberflächenwelle.

    3.) In wie viele Raumrichtungen breitet sich die Welle aus?

    Entlang einer Raumrichtung bedeutet, das eine lineare Welle vorliegt.

    Entlang einer Fläche bedeutet, dass eine ebene Welle vorliegt.

    In alle Raumrichtungen bedeutet, dass eine Raumwelle vorliegt.

  • Erkläre die Entstehung eines Tsunami.

    Tipps

    Taifune unterscheiden sich sowohl in ihrer Auswirkung, Ursache als auch in ihrem Ablauf stark vom normalen Wellengang oder der Seiche - das sind stehende Wellen -, die durch Reflexion beispielsweise am Hafenbecken entstehen.

    Lösung

    Es gibt noch drei andere Ursachen für einen Taifun.

    Erstens: Ein Asteroid schlägt im Meer ein. Dieser wirkt dann wie ein sehr schwerer Stein, der mit einer unvorstellbar großen Kraft ins Wasser geworfen wird. Nur, dass hierbei kurzzeitig das komplette Wasser bis zum Meeresboden verdrängt wird. Dadurch könnten auch Flutwellen mit einer Höhe von mehreren hundert Metern entstehen.

    Zweitens: eine vom Menschen gezündete starke Bombe auf dem Meeresgrund oder an einer tektonischen Platte. Dies hätte dieselbe Wirkung wie ein Seebeben.

    Drittens: das Platzen einer große Gasblase auf dem Meeresgrund. Dadurch würde ebenso sehr viel Wasser in Bewegung geraten. Nur, dass sich dort die Welle zum Mittelpunkt hin und nicht davon wegbewegt.

  • Erkläre, wie ein Erdbeben entsteht.

    Tipps

    Damit die Erde bebt, muss sie angestoßen werden.

    Lösung

    Erdbeben zählen zu den Naturkatastrophen. Jedoch nur die starken Beben werden von uns registriert.

    Es gibt jeden Tag Erdbeben rund um die Welt, sogar in Deutschland. Jedoch nur wenige schaffen es in die Nachrichten.

    In bestimmten Regionen kommen sie jedoch viel häufiger vor, so an der Westküste der USA. Hier treffen die pazifische und die nordamerikanische Platte aufeinander. Daher gibt es hier viele Beben und auch mehr vulkanische Aktivität.

    Deutschland liegt hierbei auf der eurasischen Platte und zwar relativ weit weg von ihrem Rand. Daher gibt es hier weniger Beben.

    Island wiederum liegt zur Hälfte auf der eurasischen und nordamerikanischen Platte. Hier gibt es sehr viel vulkanische Aktivität und auch mehrere zumeist schwache Beben.

  • Erkläre die Anzeige des Seismographen.

    Tipps

    Jedes Beben hat Warnzeichen und eine kurze Phase, in der man sich vorbereiten kann.

    Lösung

    Wir können uns nicht vor Erdbeben schützen und sie nicht verhindern. Der Seismograph gibt uns jedoch eine Vorwarnung und ein wenig Zeit, um uns vorzubereiten auf das Unabwendbare.

    Zudem haben wir Bauweisen entwickelt, um Strukturen vor Erdbeben zu schützen. Zumeist wirken diese als Dämpfer.

    Die Seismographen in Deutschland sind gut verteilt. Allein in Mitteldeutschland gibt es 44 Seismographen.

    Diese zeichnen jährlich mehrere hundert Beben auf.