Welle
🌊 Physik
Basiswissen
Definition: Eine Welle ist eine sich im Raum ausbreitende Schwingung von sogenannten Oszillatoren. Das klassische Beispiel dafür ist eine Wasserwelle. Hier wird der verallgemeinerte Wellenbegriff aus physikalischer Sicht erklärt.
Definition von Welle in der Physik
In der Physik meint Welle, eine Schwingung oder eine einmalige Störung, die sich im Raum ausbreitet. Für eine bessere Anschaulichkeit betrachten wir zunächst einen Sonderfall. Wir stellen uns ein leeres Schwimmbecken vor. Von oben ragt ein dünner Stab senkrecht in das Bad. Am unteren Ende des Stabes hängt ein Wassertropfen. Der Wassertropfen wäre genau dort, wo man normalerweise die Wasseroberfläche erwarten würde (Ruhewasserspiegel). Nun drückt jeman den Stab etwas nach unten unter die gedachte Wasseroberfläche, zieht ihn dann über die gedachte Wasseroberfläche nach oben und dann wieder zurück bis an die Startposition genau auf Höhe der gedachten Wasseroberfläche. Diese vollständige Hin- und Herbewegung wiederholen wir nun gedanklich sehr oft. Das ergibt eine Schwingung: der Wassertropfen wiederholt immer wieder dasselbe Bewegungsmuster. Eine sich ständig wiederholende Zustandsänderung nennt man ganz allgemein eine Schwingung. Nun denken wir uns das Schwimmbecken bis auf die Startposition des Wassertropfens mit Wasser gefüllt vor. Wenn wir nun den Tropfen am Stabende diese Schwingungsbewegung ausführen lassen, dann wird man beobachten, dass seine Nachbar-Wasserteilchen mit etwas zeitlicher Verzögerung eine gleichartige Schwingung mitmachen werden. Und jedes schwingende Wasserteilchen wird seine Schwingung an seine Nachbarn weitergeben. Dadurch breitet sich die Schwingung über die Wasseroberfläche aus. Eine solche sich im Raum ausbreitende Schwingung nennt man Welle.
Definition von Welle in der Technik
Hier meint Welle meistens ein drehbar gelagertes Teil, normalerweise von sehr langer zylindrischer Form. Die Räder von Zugwaggons sind beispielsweise auf Wellen montiert. Auch die großen Schrauben von Schiffen sitzen auf Wellen[2].
Definition von Welle als Wasserwellen
Hier meint Welle meistens eine Wasserwelle. Eine Wasserwelle muss nicht genau identisch mit physikalischen Wellen sein. Aber physikalische Wellen sind oft ein sehr gutes Modell für eine echte Wasserwelle ↗
Welle als Metapher
Das Wort Welle drückt in Bildungen anderen Worten oft aus, dass etwas sich plötzlich in starkem Maße ausbreitet (Grippewelle), dass eine Personengruppe plötlich in großer Anzahl irgendwo auftaucht (Flüchtlingswelle) oder etwas plötzlich sehr beliebt wird oder von vielen Leuten betrieben wird (Sparwelle).
Welche Arten von Wellen gibt es?
- In der Quantenphysik sind Wellen vor allem ein theoretisches Modell des Welle-Teilchen-Dualismus ↗
- Seebeben erzeugen auf flache und schnelle und in Küstenhöhe hohe Wellen, siehe unter Tsunami ↗
- Bei Erdbeben treten oft sogenannte seismische Wellen auf, siehe unter Erdbebenwelle ↗
- Durch Zufallsprozesse entsteht im Ozean gelegentlich eine Monsterwelle ↗
- Auf Wasseroberflächen entsteht die allgemein bekannte Wasserwelle ↗
- Für eine Übersicht, siehe unter Wellen ↗
Fußnoten
- [1] 1801, noch ganz auf Wasserwellen bezogen: "Eine vorüber gehende Erhöhung auf der Oberfläche des in Bewegung gesetzten Wassers; wo Welle von allen solchen Erhöhungen, ohne Rücksicht auf die Größe, Woge aber nur von großen, langen Wellen gebraucht wird. Das Meer wirft oder schlägt Wellen, wenn die Oberfläche in Bewegung gesetzt ist. Figürlich bedeuten die Wellen auch wohl das Meer, oder sonst ein großes Wasser." In: Adelung, Grammatisch-kritisches Wörterbuch der Hochdeutschen Mundart, Band 4. Leipzig 1801, S. 1477. Online: http://www.zeno.org/nid/20000530069
- [2] 1857, nur mechanisch: "Welle, heißt im Maschinenwesen ein cylindrischer Körper, um den sich ein Rad bewegt, mit Zapfen an seinen beiden Enden. Ist die W. von gleicher Dicke mit den Endzapfen d.h. bilden die beiden Ende der W. selber die Zapfen, so heißt sie Achse." In: Herders Conversations-Lexikon. Freiburg im Breisgau 1857, Band 5, S. 694. Online: http://www.zeno.org/nid/20003565505
- [3] 1909, Welle rein mechanisch: "Welle, ein drehbar gelagerter, meist rotierender, in seiner Grundform zylindrischer Körper, zur Übertragung von Drehmomenten, in der Regel aus Schmiedeeisen oder Stahl, selten aus andern Metallen oder Holz. Außer durch Drehkräfte werden Wellen meist noch durch biegende Kräfte beansprucht, die in dem Gewicht der auf ihnen sitzenden Riemenscheiben, Zahnräder etc., in Riemenzug, Zahndruck etc. bestehen. Die sogen. Transmissionswellen dienen zur Kraftübertragung und Verteilung nach den verschiedenen Teilen einer Fabrik etc. Lange Wellenleitungen bestehen aus einzelnen Stücken von 5–7 m Länge, die durch Kuppelungen (s. d.) verbunden und an geeigneten Stellen in Lagern (s. Lager) gestützt werden, die an einer Mauer, an der Decke oder an Säulen befestigt sind. Biegsame Wellen bestehen aus mehreren ineinander steckenden Teilen aus schraubenförmig gewundenem Stahldraht mit einem einzelnen Draht als Kern. Sie sind in einen Schlauch eingeschlossen, der nicht an der Drehung teilnimmt. Bei transportabeln Werkzeugmaschinen, Hebezeugen etc. finden sie häufig Verwendung. Über gekröpfte Welle s. Kurbel." In: Meyers Großes Konversations-Lexikon, Band 20. Leipzig 1909, S. 510. Online: http://www.zeno.org/nid/20007685637
- [4] 1909, physikalisch und als Ährenmodell: "Wellenbewegung (Undulation), die Fortpflanzung einer schwingenden Bewegung von Teilchen zu Teilchen, wobei jedes in der Fortpflanzungsrichtung folgende Teilchen seine Schwingung etwas später beginnt als das vorhergehende (Ausbreitung von Schwingungen). Ein anschauliches Bild von den Vorgängen bei der W. bietet ein wogendes Ährenfeld. Jede Ähre wird von dem Winde hinabgebogen, richtet sich aber vermöge der Elastizität des Halmes wieder empor, biegt sich wieder hinab etc. und vollführt in dieser Weise regelmäßig sich wiederholende Bewegungen oder Schwingungen. Die folgenden Ähren werden durch den Windstoß, der die erste zu schwingen zwang, um so später in Schwingungen versetzt, je weiter sie in der Reihe der Ähren von der ersten entfernt sind. Infolge der regelmäßigen Abwechselung von niedergebogenen und wieder ausgerichteten Ährenreihen zeigt die Oberfläche des Feldes in jedem Augenblick die Form von abwechselnden Vertiefungen und Erhöhungen; diese Wellenform sehen wir mit der Geschwindigkeit des Windes das Feld entlang eilen, während jede Ähre, an ihrem Orte festgewurzelt, ihre schwingende Bewegung macht." Es folgt dann eine sehr ausführliche Erklärung von Wellen aus physikalischer Sicht. In: Meyers Großes Konversations-Lexikon, Band 20. Leipzig 1909, S. 511-516. Online: http://www.zeno.org/nid/20007685688
- [5] Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle bezeichnet man als die Geschwindigkeit c. Die Oszillatoren selbst bewegen sich zwar auch, aber stets nur um einen ortfesten Ruhepunkt ihrer Schwingung. Die Geschwindigkeit der Oszillatoren bei der Bewegung um ihren Ruhepunkt bezeichnet man auch als "Schnelle". In: Dorn.Bader. Physik SII Gesamtband Gymnasium. Westermann Bildungsmedien. Braunschweig. 2023. ISBN: 978-3-14-152376-8. Dort die Seite 251. Siehe auch Oszillator ↗