Wellenwanne (Reflexionsgesetz)
Physik-Video
Basiswissen
In einer Wellenwanne (ripple tank) kann man gut beobachten, wie Wasserwellen nach dem Gesetz Einfallswinkel-gleich-Ausfallswinkel an steilen Hindernissen reflektiert werden. Es hat sich eingebürgert, dass die Winkel zu einem Lot senkrecht auf der reflektierenden Fläche gemessen werden. Das wird hier kurz erklärt.
Das Reflexionsgesetz in einem Video
Eine Wellenwanne ist im Wesentlichen ein flacher meist reckteckiger Wasserbehälter mit durchsichtigem Boden. Die Wassertiefe kann zum Beispiel 5 bis 6 Millimeter betragen. Mit einer Holzleiste kann man gerade Wellenfronten erzeugen, die schräg auf eine der Wände zulaufen.
Man sieht in Echtzeit und in Zeitlupe, wie eine gerade Wellenfront schräg auf eine Beckenwand zuläuft und dann reflektiert wird.[1]
Die Wellenfronten werden dann nach dem Gesetz Einfallswinkel-gleich-Ausfallswinkel an der Grenzfläche (der Beckenwand) zurückgeworfen, also reflektiert. Siehe auch Reflexion von Wasserwellen ↗
Das Lot als Bezugslinie
Es hat sich eingebürgert, dass man als Bezug zur Angabe des Winkels einer ein- oder ausfallenden Welle nicht die Grenzlinie der reflektierenden Fläche selbst sonder ein Lot dazu nimmt. Das Lot ist eine Linie, die senkrecht, also mit einem Winkel von 90°, auf der Grenzlinie der Grenzfläche steht. Einen praktischen Grund dafür kenne ich nicht. Aber die Praxis gilt weltweit verbreitet. Sie gilt nicht nur für Wasserwellen sondern auch für Licht. Siehe mehr unter Lot (Mathematik) ↗
Tipps für eigene Versuche
- Beim Hantieren im Wasser fallen immer wieder Tropfen von den Händen oder der Holzleist ins Wasser. Diese erzeugen irritierende Kreiswellen. Um das zu vermeiden kann man die Holzleist immer ganz im Wasser halten und bewegt sie dort nur kurz hin und her oder hoch und runter.
- Bei einer Beleuchtung der Wellenwanne von oben gilt: je näher die weiße Projektionsfläche unter der Wanne an der Wanne selbst ist, desto geringer fallen Verzerrungen durch die Projektion aus.
- Bei einer Wassertiefe von etwa 5 bis 6 Millimetern haben die Wellen eine Geschwindigkeit von rund 20 cm/s. Bei geringerer Wassertiefe werden die Wellen langsamer, aber sie werden auch schneller gedämpft und sind kleiner.
- Anbieter kommerzieller Wellenwannen empfehlen einen Tropfen Spülmittel in das Wasser zu geben. Das soll den Einfluss der Oberflächenspannung des Wassers verringern.
- Siehe auch Wellenwanne ↗
Das Reflexionsgesetz in der Natur
"Natur" in Anführungsstrichen: dort wo der Mensch Gewässer mit senkrechten Wänden eingefasst hat, etwa an Wasserbauwerken wie Brücken oder Hafenmauern, kann man die Reflexion von Wellen oft sehr gut beobachten.
Die Reflexion von flachen Wasserwellen an einer senkrechten Betonwand, einschließlich daraus entstehende Folgephänomene
Durch Reflexion von Wellen treffen die reflektierten Wellen oft auf die neu nachkommenden Wellen. Dadurch können weitere Phänomene wie eine Clapotis, eine Kreuzsee sowie andere Formen der Interferenz entstehen. Siehe mehr dazu unter Reflexion von Wasserwellen ↗
Fußnoten
- [1] Das Video entstand am 10. Oktober in der Mathe-AC Lernwerkstatt in Aachen. Genauso gut könnte man den Versuch in einem Schwimmbad oder mit sonst einer Wasserfläche mit geraden Rändern durchführen. Die Wellenwanne hat aber zwei Vorteile: zum einen hat man keine störende Faktoren wie Wind oder wellenerzeugende Tiere (oft Vögel). Zum anderen kann man durch die Projektion der Wellen auf eine helle Fläche die Wellen selbst sehr viel besser erkennen als auf einer bloßen Wasseroberfläche. Siehe auch Wellenwanne ↗