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3. Was sind Wellen ?

In der Natur treten verschiedene Typen von Wellen auf. Sie werden in die Kategorien Transversal- und Longitudinalwellen eingeteilt, womit sich bis heute die bekannten Phänomene beschreiben lassen.
Bindet man das eine Ende einer Schnur an einen festen Gegenstand, zum Beispiel an einen Baum, und lässt man das andere mit der Hand rhythmisch hin und her schwingen, so wird der Impuls weitergegeben und die Schwingung als eine Welle übertragen.
Die Hand zieht das erste Teilstück, dieses das nächste und so fort. Durch diese oszillierenden Kräfte entstehen Wellen auf dem Seil, die sich bis zum anderen Ende fortpflanzen.
Als die gespannten Saiten eines Musikinstrumentes in Bewegung gesetzt werden, entstehen wellenartige Vibrationen, die eine Schwingung der Luftmoleküle und damit entsprechende Töne erzeugen.
Die Teilstücke der Saite bewegen sich scheinbar nur quer zu der Längsrichtung und deshalb wurden sie als Transversalwellen definiert.
Basierend auf diesem Versuch wurden diese Art von Wellen mit den folgenden Eigenschaften definiert:
Es wäre logischer, sie als Traktionswelle zu bezeichnen.
Einen Wellentyp ganz anderer Art wird in stehendem Wasser beobachtet. Ein hinein geworfener Stein erzeugt kreisförmige Wellenbewegungen, die sich vom Zentrum ausbreiten. Man bezeichnet sie deshalb als Longitudinalwellen.
Ein kleines Stück Papier oder ein ähnlicher schwimmender Körper auf der Wasseroberfläche bewegt sich jedoch nur nach unten und nach oben.
Wenn wir in Grössenordnung der Wassermoleküle denken, ist es unmöglich, dass alle Moleküle nebeneinander ausgerichtet sind und den entsprechenden Impuls in schöner Regelmässigkeit nur longitudinal an ihre Nachbarn weitergeben.
Logischer ist es zu denken, dass die Bewegung der einzelnen Moleküle zufällig ist und die Summe aller einwirkenden Kräfte eine Längsbewegung der Welle ergibt.
Da die Welle sichtbar wird, besteht offenbar auch eine Querbewegung zu der Ausbreitungsrichtung.
Diese Art von Wellen sollte eher Druckwelle heissen.
Das Phänomen zeigt sich nicht nur an der Wasseroberfläche, sondern auch in der Tiefe. Nehmen wir ein mit Wasser gefülltes Bassin an und einen zentral plazierten Schwimmer, der durch vertikale Bewegungen klar definierte Wellen erzeugt.
Der Druck des Schwimmers bewegt die rundumliegenden Wassermoleküle nach der Seite und nach unten. An der Wasseroberfläche bilden sich die bekannten kreisförmigen Wellenfronten. In die Tiefe haben die Moleküle aber nicht die Möglichkeit der Auslenkung wie an der Wasseroberfläche. Der Impuls wird als Druck weitergegeben und ist nicht sichtbar.
Diese Wellen werden graphisch wie die Traktionswellen dargestellt, obwohl die Amplitude hier dem Wasserdruck entspricht und schwieriger zu visualisieren ist.
Wellen in der Luft werden auch als Longitudinalwellen definiert und ähnlich wie Wasserwellen behandelt.
In der Umgangssprache sagt man, der Schall breite sich mit konstanter Geschwindigkeit aus. Eigentlich wird eine Veränderung des Luftdruckes von Molekül zu Molekül bis zu unserem Ohr weitergegeben.
Still stehende Luft weist eine bestimmte Dichte oder einen Druck auf.
Der Schall stört diesen Zustand durch eine Druckveränderung und die Luft gibt die Störung mit konstanter Geschwindigkeit in allen Richtungen weiter.
Diese Druckwellen breiten sich aus, ohne sich gegenseitig zu stören, man kann sie doch auf Distanz deutlich voneinander unterscheiden.
Dasselbe geschieht mit den Wasserwellen. Mehrere ins Wasser geworfene Steine verursachen einzelne sich kreisförmig ausbreitende Wellen. Diese können sich überlagern, verfolgen dann aber wieder jede für sich ihren Kreis bis sie sich abschwächen und verschwinden.
Ähnlich muss es sich unten im Wasser verhalten, nur dass wir dafür keine Beobachtungsorgane zur Verfügung haben.
Nehmen wir jetzt eine Versuchsanordnung mit zwei Schwimmern. Deren vertikale Pendelbewegung zwei halbkugelförmige Wellenfronten im Wasser erzeugt. An der Oberfläche sind expandierende Kreise zu sehen, die sich an zwei bestimmten Punkten überlagern. In die Tiefe bilden sich zwei kugelförmige Druckwellen.

In der graphischen Darstellung erkennen wir die Addition des Druckes, wo sich die beiden kugelförmigen Wellen überlagern. Dabei entstehen Kreise, senkrecht zur Zeichnung, die sich nach unten fortpflanzen. Ein Kreis mit doppeltem Druck vertikal, die anderen schwächer in diagonalen Richtungen, die dank der Computersimulation ersichtlich werden.
Disponieren wir jetzt 4 Schwimmer in einer einfachen symmetrischen Stellung. Pro Paar bilden sich wieder Kreise mit doppeltem Druck, die sich in der Mitte wieder addieren und eine Kugel mit 4-fachen Druck bilden, die sich vertikal nach unten fortpflanzt.
Es ist möglich, dass in einigen Phänomenen diese Eigenschaft, das Licht als Partikel oder Photonen erscheinen lässt.
In der Natur werden die auftretenden Druckfronten durch unzählige kleine Komponenten gebildet. Diese Fronten summieren sich zu immer intensiveren Gruppen, die sich ihrerseits zu anderen Gruppen formen und sehr komplexe und unterschiedliche Fronten bilden. Eine Welle besteht also aus unzähligen, schwachen kugelförmigen Fronten; einigen stärkeren, kreisförmigen in verschiedenen Richtungen verlaufend und einigen noch stärkeren als Kugel in der Hauptausbreitungsrichtung.
Die Eigenschaft der Wellenfronten, sich addieren zu können, lässt sie eine sehr grosse Ausbreitungsdistanz erreichen.
Bei naher Betrachtung eines Glühfadens einer Lampe erkennen wir jede einzelne Windung. Bei zunehmender Entfernung erscheint das Licht der Glühlampe immer diffuser und die Lichtwellen der einzelnen Windungen summieren sich zu einem Ganzen. Dasselbe geschieht mit dem ausgestrahlten Sonnenlicht, es ist die Summe unzähliger kleiner Leuchtpunkte der Sonnenoberfläche.
Man kann hier die neue Beschreibung des Lichtes ergänzen:
Das Licht ist die Summe unzähliger Wellenfronten, die sich in verschiedenen Gruppen durch ein Gravitationsfeld fortpflanzt.
Das Gravitationsfeld ist ein immaterielles Medium, es ist deshalb ein anderes Verhalten als in Wasser oder Luft zu erwarten.
Mit Hilfe einiger bekannten Erscheinungen kann man die Eigenschaften des Gravitationsfeldes noch untersuchen.
Seit einigen Jahrzehnten ist das Phänomen der Polarisierung des Lichtes bekannt, dessen Erklärung bleibt jedoch etwas schleierhaft.
Die Polarisierung des Lichtes hat gezeigt, dass eine Vibration des Gravitationsfeldes nur in einer Richtung, senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung möglich ist.
Zwei Lichtstrahlen, die in senkrecht zueinanderstehenden Richtungen polarisiert sind, interferieren sich nicht.
In den letzten Jahren wurde der Laserstrahl entwickelt. Gebündelt auf einen sehr feinen Strahl lässt er sich ohne Streuung über sehr weite Distanzen und für viele Zwecke einsetzen.
In diesem Fall das Gravitationsfeld vibriert nur longitudinal, in der Längsrichtung.
Die Definitionen von Transversal- und Longitudinalwellen wären hier geeignet.
Dank den Kenntnissen um die Physik der Atome haben wir akzeptiert, dass Materie aus kleinsten Elementen wie Atomkernen und sie umkreisende Elektronen besteht. Zwischen den Atomkernen besteht kein direkter Kontakt und der Zwischenraum ist verhältnismässig enorm. Dieser Raum weist ein Gravitationsfeld auf, das aus der Summe aller Gravitationskräfte der einzelnen Atome besteht und die Durchquerung des Lichts durch feste Materie ermöglicht.
Trifft eine durch die Luft kommende Lichtwelle auf Materie mit grösserer Dichte, wie Glas oder Wasser. wird sie dort durch das stärkere Gravitationsfeld gebremst.
Ein stärkeres Gravitationsfeld lässt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellenfronten abnehmen.
Lenkt man weisses Licht durch ein Kristallprisma, so werden die Fronten der Lichtwelle mit geringerer Wellenlänge stärker ausgelenkt als solche mit grösserer Wellenlänge.
Ein Gravitationsfeld reagiert anders je nach Wellenlänge.
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