Phasengeschwindigkeit
Physik
Definition
Die Phasengeschwindigkeit, oft abgekürzt als vₚ, ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit gleicher Phasen einer (monochromatischen) Welle: betrachtet man eine einzelne Wasserwelle, dann ist die Phasengeschwindigkeit, die Geschwindigkeit, mit der der Wellenkamm sich vorwärts bewegt. Das ist hier Schritt-für-Schritt erklärt.
Die Grundidee: ein schwingender Oszillator?
Um zu verstehen, was die Phase und ihre Geschwindigkeit für eine Welle bedeuten, ist es sinnvoll, sich zunächst zu betrachten, was ein Oszillator ist. Man stelle sich eine absolut glatte und ruhige Wasseroberfläche vor. Vereinfacht kann man sich vorstellen, dass alle Wasserteilchen völlig in Ruhe sind, sich also nicht bewegen. Nun drückt man langsam mit einem Ball von oben in die Wasseroberfläche und zieht dann daraufhin sofort wieder langsam nach oben heraus. An dieser Stelle werden die Wasserteilchen zuerst nach unten gedrückt. Anschließend bewegen sie sich wieder nach oben. An der betrachteten Stelle werden die Wasserteilchen diese hoch-runter-Bewegung eine zeitlang fortsetzen. Eine solche sich ständig neu wiederholende Bewegung ist eine Schwingung. Die einzelnen Wasserteilchen sind dabei die eigentlich schwingenden Teile. Ein solches schwingendes Teilchen ist ein Oszillator ↗
Wie entsteht aus Oszillatoren eine Welle?
Die Wasserteilchen üben gegenseitig eine Anziehungskraft auf sich aus. Geht ein Teilchen nach oben, dann zieht es seine Nachbarteilchen ebenfalls mit nach oben. Man sagt, Wasser ist eine zähe Flüssigkeit. Dieses Mitziehen ist jedoch etwas zeitverzögert. Dadurch dass sich die Wasserteilchen gegenseitig mitziehen, breitet sich das Schwingungsmuster eines Teilchens auf seine Nachbarteilchen aus. Dadurch wird aus einer örtlich begrenzenten Schwingung, eine Schwingung, die sich jetzt im Raum ausbreitet. Eine solche sich im Raum ausbreitende Schwingung nennt man eine Welle ↗
Was ist die Phase eine Oszillators?
Wir betrachten jetzt wieder nur ein Wasserteilchen. Vereinfacht vorgestellt bewegt es sich bei Wasserwellen nur senkrecht von unten nach oben und von oben nach unten. Zum Beispiel eine vollständige Bewegung von der ursprünglichen Ruhelage einmal ganz nach oben, dann ganz nach unten und am Ende wieder zur Ruhelage nennt man eine ganze Schwingung. Als Phase eines Oszillators bezeichnet man den momentanen Punkt, bei welcher Auslenkung, also wo innerhalb einer Schwingung sich der Oszillator befindet. Man könnte das zum Beispiel in Zentimetern oberhalb oder unterhalb der Ruhelage angeben. Um aber eine gemeinsame Angabe für alle möglichen Schwingungsarten verwenden zu können, setzt man eine ganze Schwingung mit 360° gleich. Das hat keine anschaulich geometrische Bedeutung. 360° steht nur für eine ganze Schwingung. Ist ein Oszillator dann zeitlich gesehen auf der halben Strecke durch eine ganze Schwingung, dann ist er bei 180°. Und hat er zeitlich betrachtet neun Zehntel einer Schwingung vollzogen, dann ist er bei 324°. Dieser abstrakt gefasste Lage innerhalb eines Schwingungsablaufes von einem Oszillator nennt man seine Phase. Die übliche Angabe mit Grad nennt man den Phasenwinkel ↗
Was ist die Phase bei einer Welle?
Eine Welle besteht aus sehr vielen einzelnen Oszillatoren. Zu einem bestimmen Zeitpunkt sind verschiedene Oszillatoren einer Welle an meist verschiedenen Positionen innerhalb ihres jeweiligen Schwingungsablauf. Das heißt, die Oszillatoren einer Welle haben meist auch zueinander unterschiedliche Phasen. Da bei einer Welle nun alle Oszillatoren im Idealfall immer auch denselben Schwingungsablauf haben, kann man sich gedanklich einen beliebigen Oszillator herausgreifen und dessen Phase als stellvertretend für die gesamte Welle denken.
Was ist die Phasengeschwindigkeit?
Die Phasengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich ein Oszillator seine momentane Phase auf einen Nachbaroszillator in Ausbreitungsrichtung (Wellengrichtung) der Welle überträgt. ✔
Warum gilt die Definition nur für monochromatische Wellen?
Das Spektrum Lexikon der Physik definiert die Phasengeschwindigkeit vₚ als die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer monochromatischen Welle[1]. Den Verweis, dass die Definition nur für monochromatische Wellen gilt, findet man in verschiedenen Definitionen. Monochromatisch heißt im Bezug auf Wellen, dass alle Teilchen der Welle mit derselben Frequenz schwingen und dass die Welle nicht zusammengesetzt aus verschiedenen unterschiedlichen Wellen mit verschiedenen Wellenfrequenzen und Wellenlängen gedacht wird. Solche zusammengesetzten Wellen nennt man Wellenpakete. Übliche Wasserwellen sind keine Wellenpakete sondern monochromatisch im hier erklärten Sinn. Chromatisch heißt eigentlich, dass etwas im Bezug zu Farben steht. Da physikalische Wellen oft im Zusammenhang mit Licht betrachtet werden, und verschiedene Wellenfrequenzen oder Wellenlängen bei Licht automatisch für verschiedene Farben stehen, hat man den Begriff aus der Optik gewählt. Der Begriff Monochromatisch gilt aber aber sinngleich für alle Wellenarten, auch solche, bei denen es keine Farbeffekte gibt (z. B. Mikrowellen). Lies mehr unter monochromatisch ↗
Fußnoten
- [1] Phasengeschwindigkeit. In: Spektrum Lexikon der Physik. Juli 2022. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/phasengeschwindigkeit/11111
