Transversalwelle

Transversalwelle

Transversalwelle Longitudinalwelle
Transversalwelle
Longitudinalwelle

Eine Transversalwelle – auch Quer-, Schub- oder Scherwelle – ist eine physikalische Welle, bei der die Schwingung senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung erfolgt. Das Gegenteil ist eine Längs- oder Longitudinalwelle, bei der die Schwingung in Richtung der Ausbreitungsrichtung stattfindet. Beispiele für eine Transversalwelle sind eine Saitenschwingung oder Licht im Vakuum, während Schall in einem idealen Fluid (näherungsweise in Luft) eine Longitudinalwelle ist.

Veranschaulichung

Eine Transversalwelle schwingt senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung. Die Welle lässt sich anhand eines Seils veranschaulichen, bei dem ein Ende in der Hand gehalten wird. Indem man die Hand auf- und abbewegt, lässt sich das Seil aus seiner Ruheposition auslenken und diese Auslenkung pflanzt sich entlang des Seils fort. Es handelt sich hierbei um eine Transversalwelle, da sich die Welle waagerecht entlang des Seils ausbreitet, die Auslenkung des Seils aus seiner Ruhelage jedoch nach oben und unten geschieht. Der Wellenvektor, der die Ausbreitungsrichtung der Welle kennzeichnet ist damit senkrecht zu der Amplitude der Seilschwingung.

Anstelle einer Auf- und Abbewegung lässt sich eine ähnliche Welle auch durch Handbewegungen von rechts nach links erzeugen, oder einer Kombination beider Richtungen. Solche Wellen sind ebenfalls Transversalwellen, unterscheiden sich jedoch in der Schwingungsrichtung. Diese Schwingungsrichtung der Transversalwelle wird Polarisation genannt.

Eigenschaften

Polarisation

Schwingungsrichtung einer linear polarisierten Welle Schwingungsrichtung einer rechts-zirkular polarisierten Welle
Schwingungsrichtung einer
linear polarisierten Welle
Schwingungsrichtung einer
rechts-zirkular polarisierten
Welle

Im Gegensatz zu Longitudinalwellen sind Transversalwellen polarisierbar, da die Schwingung in der gesamten Ebene möglich ist, die senkrecht auf ihrer Ausbreitungsrichtung steht. Läuft die Welle beispielsweise in z-Richtung, kann die Schwingung in x-Richtung, y-Richtung oder in einer beliebigen (nicht zwingend festen) Kombination beider Richtungen erfolgen, also in der kompletten x-y-Ebene. Dadurch ergeben sich verschiedene Spezialfälle der Schwingung:

  • Die Schwingung erfolgt nur in einer Richtung: In diesem Fall nennt man die Welle linear polarisiert. Stellt man sich eine, auf einen Beobachter zulaufende, Seilwelle in dieser Polarisation vor, sieht dieser nur eine Linie.
  • Der Betrag der Auslenkung ist fest, nur die Richtung der Auslenkung ändert sich mit einer festen Winkelgeschwindigkeit. Hier sieht der Beobachter einen Kreis; man spricht von zirkularer Polarisation. Je nach Drehrichtung, in der die Auslenkung den Kreis durchläuft, unterscheidet man zwischen rechts- und linkszirkularer Polarisation.

Elastische Wellen

Aus der Navier-Stokes-Gleichung lässt sich für die Bewegung von dissipationsfreien elastischen Wellen in einem Festkörper die Differentialgleichung[1]

$ \rho\frac{\partial^2 \mathbf{u}}{\partial t^2}=\mu \nabla^2\mathbf{u}+(\lambda+\mu)\nabla(\nabla\cdot \mathbf{u}) $

für die zeit- und ortsabhängige Auslenkung $ \mathbf{u}(\mathbf{x},t) $ herleiten. Dabei sind $ \rho $, $ \mu $ und $ \lambda $ konstante Materialparameter. Das Vektorfeld $ \mathbf{u} $ lässt sich, wie jedes Vektorfeld, in einen rotations- und einen divergenzfreien Teil aufspalten:

$ \mathbf{u}=\mathbf{u}_\mathrm{L}+\mathbf{u}_\mathrm{T} $

wobei für den rotationsfreien Teil gilt

$ \begin{align} \nabla\times\mathbf{u}_\mathrm{L}&=0\\ \nabla\times(\nabla\times\mathbf{u}_\mathrm{L})&=\nabla(\nabla\cdot\mathbf{u}_\mathrm L)-\nabla^2\mathbf{u}_\mathrm L=0 \end{align} $

und für den divergenzfreien

$ \begin{align} \nabla\cdot\mathbf{u}_\mathrm{T}&=0\\ \nabla(\nabla\cdot\mathbf{u}_\mathrm{T})&=0 \end{align} $

Damit erhält man zwei getrennte Wellengleichungen für den transversalen und longitudinalen Teil der Welle:

$ \begin{align} 0&=\left(\rho\frac{\partial^2}{\partial t^2}-(\lambda+2\mu)\nabla^2\right)\mathbf{u}_\mathrm{L}\\ 0&=\left(\rho\frac{\partial^2}{\partial t^2}-\mu\nabla^2\right)\mathbf{u}_\mathrm{T} \end{align} $

mit unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten $ c_\mathrm{L}=\sqrt{(\lambda+2\mu)/\rho} $ für die Longitudinalwelle und $ c_\mathrm{T}=\sqrt{\mu/\rho} $ für die Transversalwelle. Im selben Medium ist die Geschwindigkeit von Transversalwellen stets kleiner als die von Longitudinalwellen.[2]

Beispiele

Mediengebunden

  • dilatationsfreie Wellen in einem inkompressiblen elastischen Medium (Festkörper)[3]
  • Oberflächenwellen auf Flüssigkeiten, wie Wasserwellen, sind keine reinen Transversalwellen, sondern bilden eine Mischform aus Transversalwelle und Longitudinalwelle
  • Alfvénwellen oder transversale Plasmawellen
  • Ultraschall in Festkörpern hat wegen der auftretenden Schubspannungen neben dem Longitudinalwellenanteil zusätzlich auch einen Anteil von Transversalwellen, benutzt wird das beispielsweise beim Schrägschallverfahren
  • La-Ola-Welle in einem Fußballstadion

Nicht mediengebunden

Literatur

  • Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 1: Mechanik und Wärme. Springer Berlin Heidelberg, 2013, ISBN 978-3-642-25465-9.

Einzelnachweise

  1. B. Lautrup: Physics of Continuous Matter: Exotic and Everyday Phenomena in the Macroscopic World. CRC Press, 2004, ISBN 0-7503-0752-8, S. 175 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. Transversalwellen. In: Lexikon der Physik. Spektrum Akademischer Verlag, abgerufen am 28. September 2015.
  3. vergleiche z. B. Arthur Haas: Einführung in die Theoretische Physik. Erster Band, 5. und 6. Auflage, 1930, Berlin und Leipzig: de Gruyter. § 49: Die elastischen Wellen, S. 171–172 (eingeschränkte Vorschau).

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


03.03.2021
„Ausgestorbenes Atom“ lüftet Geheimnisse des Sonnensystems
Anhand des „ausgestorbenen Atoms“ Niob-92 konnten Forscherinnen Ereignisse im frühen Sonnensystem genauer datieren als zuvor.
03.03.2021
Nanoschallwellen versetzen künstliche Atome in Schwingung
Einem deutsch-polnischen Forscherteam ist es gelungen, gezielt Nanoschallwellen auf einzelne Lichtquanten zu übertragen.
03.03.2021
Nicht verlaufen! – Photonen unterwegs im dreidimensionalen Irrgarten
Wissenschaftlern ist es gelungen, dreidimensionale Netzwerke für Photonen zu entwickeln.
25.02.2021
Asteroidenstaub im „Dinosaurier-Killer-Krater“ gefunden
Ein internationales Forscherteam berichtet über die Entdeckung von Meteoriten-Staub in Bohrproben aus dem Chicxulub-Impaktkraters in Mexiko.
25.02.2021
Zwillingsatome: Eine Quelle für verschränkte Teilchen
Quanten-Kunststücke, die man bisher nur mit Photonen durchführen konnte, werden nun auch mit Atomen möglich. An der TU Wien konnte man quantenverschränkte Atomstrahlen herstellen.
23.02.2021
Auch in der Quantenwelt gilt ein Tempolimit
Auch in der Welt der kleinsten Teilchen mit ihren besonderen Regeln können die Dinge nicht unendlich schnell ablaufen.
23.02.2021
Erstes Neutrino von einem zerrissenen Stern
Ein geisterhaftes Elementarteilchen aus einem zerrissenen Stern hat ein internationales Forschungsteam auf die Spur eines gigantischen kosmischen Teilchenbeschleunigers gebracht.
23.02.2021
Unglaubliche Bilder vom Rover Perseverance auf dem Mars
21.02.2021
Schwarzes Loch in der Milchstraße massiver als angenommen
Ein internationales Team renommierter Astrophysikerinnen und -physiker hat neue Erkenntnisse über Cygnus X-1 gewonnen.
21.02.2021
Ultraschnelle Elektronendynamik in Raum und Zeit
In Lehrbüchern werden sie gerne als farbige Wolken dargestellt: Elektronenorbitale geben Auskunft über den Aufenthaltsort von Elektronen in Molekülen, wie eine unscharfe Momentaufnahme.
21.02.2021
Mit schwingenden Molekülen die Welleneigenschaften von Materie überprüfen
Forschende haben mit einem neuartigen, hochpräzisen laser-spektroskopischen Experiment die innere Schwingung des einfachsten Moleküls vermessen. Den Wellencharakter der Bewegung von Atomkernen konnten sie dabei mit bisher unerreichter Genauigkeit überprüfen.
21.02.2021
Quanten-Computing: Wenn Unwissenheit erwünscht ist
Quantentechnologien für Computer eröffnen neue Konzepte zur Wahrung der Privatsphäre von Ein- und Ausgabedaten einer Berechnung.
19.02.2021
Hochdruckexperimente liefern Einblick in Eisplaneten
Per Röntgenlicht hat ein internationales Forschungsteam einen Blick ins Innere ferner Eisplaneten gewonnen.
19.02.2021
Hochdruckexperimente liefern Einblick in Eisplaneten
Per Röntgenlicht hat ein internationales Forschungsteam einen Blick ins Innere ferner Eisplaneten gewonnen.
19.02.2021
Röntgen-Doppelblitze treiben Atomkerne an
Erstmals ist einem Forscherteam des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik die kohärente Kontrolle von Kernanregungen mit geeignet geformten Röntgenlicht gelungen.
19.02.2021
Ein autarkes Überleben auf dem Mars durch Bakterien
Führende Raumfahrtbehörden streben zukünftig astronautische Missionen zum Mars an, die für einen längeren Aufenthalt konzipiert sind.
17.02.2021
Dualer Charakter von Exzitonen im ultraschnellen Regime: atomartig oder festkörperartig?
Exzitonen sind Quasiteilchen, die Energie durch feste Stoffe transportieren können.
17.02.2021
Neuer Spektrograf sucht nach Super-Erden
Das astronomische Forschungsinstrument CRIRES+ soll Planeten außerhalb unseres Sonnensystems untersuchen.
12.02.2021
Eine neue Art Planeten zu bilden
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Zürich schlagen in Zusammenarbeit mit der Universität Cambridge eine neue Erklärung für die Häufigkeit von Exoplaneten mittlerer Masse vor.
10.02.2021
Optischer Schalter für Nanolicht
Forscherinnen und Forscher in Hamburg und den USA haben einen neuartigen Weg für die Programmierung eines Schichtkristalls entwickelt, der bahnbrechende Abbildungsfähigkeiten erzeugt.
10.02.2021
Weltweit erste Videoaufnahme eines Raum-Zeit-Kristalls gelungen
Einem Forschungsteam ist der Versuch gelungen, bei Raumtemperatur einen Mikrometer großen Raum-Zeit-Kristall aus Magnonen entstehen zu lassen. Mithilfe eines Rasterröntgenmikroskops an BESSY II konnten sie die periodische Magnetisierungsstruktur sogar filmen.
07.02.2021
Lang lebe die Supraleitung!
Supraleitung - die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom verlustfrei zu übertragen - ist ein Quanteneffekt, der trotz jahrelanger Forschung noch immer auf tiefe Temperaturen be-schränkt ist.
05.02.2021
Quantensysteme lernen gemeinsames Rechnen
Quantencomputer besitzen heute einige wenige bis einige Dutzend Speicher- und Recheneinheiten, die sogenannten Qubits.
03.02.2021
SpaceX-Marsrakete explodiert bei Landung
02.02.2021
Wie kommen erdnahe Elektronen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit?
Elektronen können in den Van-Allen-Strahlungsgürteln um unseren Planeten ultra-relativistische Energien erreichen und damit nahezu Lichtgeschwindigkeit.