Was ist eine Welle?

Weit vor der Küste wird eine Möwe von jeder Welle auf und ab bewegt. Mit der Welle wandert sie aber nicht mit.

Eine Störung breitet sich aus

Wirf einen Stein in einen ruhigen Teich: Ringe breiten sich auf der Oberfläche aus. Zupfe eine Gitarrensaite an: Ihre Bewegung verschwimmt vor deinen Augen. Ruf über ein Feld: Jemand hört dich einen Augenblick später. Alle drei Vorgänge beruhen auf Wellen. OpenStax College Physics definiert eine Welle kurz als Störung, die sich ausbreitet, sich also vom Ort ihrer Entstehung entfernt. Im Teich besteht die Störung in der Form der Wasseroberfläche. In der Luft ist es eine Druckänderung, auf der Saite eine seitliche Auslenkung.

Entscheidend ist das Wort Störung. Das Muster wandert weiter, doch das Material bleibt größtenteils an seinem Ort. Eine Möwe auf offener See steigt mit einem Wellenberg auf und sinkt mit einem Wellental ab. Ist die Welle vorbei, befindet sie sich ungefähr wieder am Ausgangspunkt. OpenStax erläutert, dass sich die Wasserteilchen bei Wasserwellen fern der Küste auf kleinen Kreisbahnen bewegen. Sie bleiben in einem begrenzten Bereich, während die Energie weiterwandert. Wenn dich eine Welle im tiefen Wasser bewegt, spürst du die Energie, nicht einen vorbeiströmenden Wasserstrom.

Wellenberg, Wellental, Wellenlänge und Amplitude

Eine einfache, sich wiederholende Welle hat Hochpunkte, die Wellenberge, und Tiefpunkte, die Wellentäler. Der Abstand von einem Wellenberg zum nächsten in Ausbreitungsrichtung heißt Wellenlänge. Man schreibt dafür den griechischen Buchstaben λ (Lambda). Die Amplitude gibt an, wie weit sich das Medium höchstens aus seiner Ruhelage bewegt. Sie entspricht der Höhe eines Wellenbergs über der waagerechten Linie oder dem halben Abstand zwischen Wellenberg und Wellental. OpenStax betont, dass die Amplitude völlig unabhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Eine große und eine kleine Welle laufen auf demselben Seil gleich schnell.

Zwei Schwingungsrichtungen

Wellen lassen sich nach der Richtung der Schwingung im Verhältnis zur Ausbreitungsrichtung in zwei Grundarten einteilen. Bei einer Transversalwelle bewegt sich das Medium senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bewege das Ende eines an einem Pfosten befestigten Seils kurz auf und ab: Ein Wellenberg läuft am Seil entlang, während sich die einzelnen Seilstücke auf und ab bewegen. Wellen auf den Saiten von Musikinstrumenten sind transversal, ebenso Licht und andere elektromagnetische Wellen. Bei einer Longitudinalwelle bewegt sich das Medium in Ausbreitungsrichtung hin und her. Drücke und ziehe am Ende einer langen Feder: Bereiche mit eng beieinanderliegenden Windungen, sogenannte Verdichtungen, wandern an ihr entlang.

Schall in Luft und Wasser ist longitudinal. Fluide setzen einer seitlichen Verformung kaum Widerstand entgegen. Deshalb können sie nur Verdichtungen und Verdünnungen weitergeben. Festkörper können beide Wellenarten übertragen. Wasserwellen auf dem Meer verbinden beide Bewegungen, weshalb die Wasserteilchen Kreisbahnen beschreiben. Erdbeben schicken beide Arten durch den Boden: P-Wellen als Kompressionswellen mit 4 bis 7 km/s und S-Wellen als Scherwellen mit 2 bis 5 km/s, so OpenStax. Seismografen zeichnen zuerst die P-Welle auf. Der zeitliche Abstand bis zum Eintreffen der S-Welle verrät die Entfernung des Erdbebens.

Wellen ohne Medium

Wasserwellen, Schall und Erdbebenwellen sind mechanische Wellen. Sie brauchen ein Material, in dem sie sich ausbreiten können. Schall kann den leeren Raum nicht durchqueren, weil dort nichts verdichtet werden kann. Licht, Radiowellen und die anderen elektromagnetischen Wellen sind anders. Sie bestehen aus sich ändernden elektrischen und magnetischen Feldern und breiten sich auch im Vakuum aus. So erreicht uns Sonnenlicht über 150 Millionen Kilometer leeren Raum. OpenStax warnt hier vor einer häufigen Verwechslung: Ein Radio gibt zwar Schall wieder, die Radiowellen selbst sind aber elektromagnetische Wellen und kein Schall.