Reflexion von Wasserwellen
Physik
Basiswissen
Wasserwellen können von festen Gegenständen oder plötzlichen Änderungen der Beschaffenheit des Wassers, auch der Wassertiefe zurückgeworfen werden. Dabei wird ein Teil der Wellenenergie reflektiert, ein anderer Teil wird in der alten oder einen ähnlichen Richtung (Brechung, Beugung) weitergeleitet.
Die Reflexion von Wasserwellen in der Natur
Ähnlich wie Licht und Schall werden auch Wasserwellen an Hindernissen reflektiert, das heißt: zurückgeworfen. Dabei folgen sie dem Gesetzt Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel. Die reflektierten Wellen treffen dann auf die später nachfolgenden ankommenden Wellen. Dadurch können eine Reihe interessanter Phänomene entstehen.
Das Video zeigt die Reflexion von flachen Wellen an einer senkrechten Betonwand. Man sieht das Prinzip Einfallswinkel-gleich-Ausfallswinkel, eine Superposition von Wellen, die Entstehung einer Kreuzsee und - angedeutet - ein System aus stehenden Wellen, eine sogenannte Clapotis.
Diese Phänomene sind typisch für die Reflexion von Wellen. Von besonderem Interesse sind oft die Phänonemen, die aus einer Überlagerung neu anlaufender und bereits reflektierter Wellen entstehen.
Kreuzsee durch Reflexion
Als Kreuzsee bezeichnet man in der Seefahrt Wellensysteme, die aus verschiedenen, zueinander schrägen Richtungen aufeinander treffen. Kreuzsee aus höheren Wellen können eine erhebliche Gefahr für die Seefahrt sein. Wird eine Welle von einem Hindernis schräg reflektiert, so bilden die zurücklaufenden, reflektierten Wellen mit den neu anlaufenen Wellen eine solche Kreuzsee ↗
Clapotis durch Reflexion
Treffen ständig neu ankommende Wellenfronten in einem Hafenbecken auf eine feste gerade Mauer so entstehen im Hafenbecken oft Systeme aus sogenannten stehenden Wellen: die Wellen scheinen dann optisch nicht mehr zu wandern. Stattdessen sieht es so aus als ob das Wasser an festen Stellen immer nur hoch und nieder schwappt. Dieses Phänomen bezeichnet in Anlehnung an das französische Wort für Geplätscher als Clapotis ↗
Seiche durch Reflexion
Als Seiche - das Wort stammt aus dem Französischen - bezeichnet man lange Wellen die in größeren Gewässern wie Seen oder kleinen Meeren am Ufer reflektiert werden und dann oft über Tage hinweg in dem Gewässer hin und her laufen. Seichen werden etwa in der Schweiz für die großen Seen an den Alpenrändern beschrieben. Sie können durch Wind oder auch Erdrutsche oder Erdbeben entstehen. Siehe auch Seiche ↗
Zur Physik reflektierter Wasserwellen
Die Reflexion von Wasserwellen spielt zum einen einen wichtige Rolle im Küstenschutz und in der Seefahrt. Zum anderen spielt die Reflexion eine wichtige Rolle bei der Modellbildung von idealisierten Wellen, wie sie dann etwa auf die Wellenoptik übertragen werden.
Einfallswinkel-gleich-Ausfallswinkel
Wenn eine Welle mit rund 30° schräg auf ein Ufer oder eine Wand trifft, dann wird die Wellen auch mit rund 30° wieder davon reflektiert. das Reflexionsgesetz für Wasserwellen besagt, dass vom Betrag her der Winkel der einfallenden Welle gleich dem Winkel der ausfallenden Welle ist. Dabei wird der Winkel oft zum Lot, einer Linie senkrecht zum Uferverlauf, angegeben. Was in der Theorie für idealisierte Wellen gilt, kann in der Wirklichkeit mehr oder minder stark abweichen. Der Einfluss des Windes, ungleichmäßige Uferformen oder Strömungen haben alle Einfluss auf die Reflexion realer Wellen. Zur idealisierten Betrachtung siehe den Artikel zum Reflexionsgesetz ↗
Die Superposition von Wasserwellen
Von einer Superposition von Wellen spricht man, wenn sich die Höhen und Tiefen der Welle rechnerisch exakt aufaddieren. Das hat zur Folge, dass sich die Wellen ungestört durchdringen. Für reale Wasserwellen gilt die Superposition nur mit Einschränkungen. Echte Wellen verändern sich meist gegenseitig doch mehr oder minder sichtbar. Zu einer solchen Superposition kommt es, wenn die reflektierte Welle eine neue ankommende Welle durchdringt. Siehe mehr unter Superposition ↗
Wellenfront
Als Wellenfront bezeichnet man eine durchgehende Linie entlang deren eine Welle überall in derselben Phase ist. Phase heißt so viel wie Schwingungszustand. Alle Wasserteilchen einer Welle, die gerade den höchsten Punkt im Wellenkamm erreicht haben, sind in derselben Phase. Aber auch alle Wasserteilchen einer gemeinsamen Welle, die gerade auf der Hälfte der Höhe zwischen dem tiefsten und dem höchsten Punkt ihrer Schwingung sind, sind in Phase und können eine Wellenfront bilden. Siehe mehr unter Wellenfront ↗
Wellenzug
Als Wellenzug bezeichnet man mehrere hintereinander her laufende Wellen, ähnlich den Waggons bei einem Eisenbahnzug. Im Querschnitt gesehen bildet der Wellenzug dann eine typische Schlängellinie, die für die Abfolge von Wellenbergen und Wellentälern steht. Die oft für Wellen verwendete Darstellung einer Sinuskurve steht für einen solchen Wellenzug ↗
Das huygenssche Prinzip
Die Reflexion von Wellen und einige der daraus folgenden Prinzipien liegen gedanklich dem sogenannten Huygensschen Prinzip zugrunde. Christiaan Huygens (1629 bis 1695) war ein niederländischer Naturphilosoph, wie man Physiker damals nannt. Huygens schlug ein recht einfach verständliches geometrisches Prinzip zur Fortpflanzung von Wellen vor. Unter anderem konnte man damit wesentliche Phänomene bei der Reflexion von Wellen erklären. Es genügt aber nicht, um das exakte Verhalten von Wasserwellen zu erklären. Siehe mehr unter Huygenssches Prinzip ↗