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Longitudinal- und Transversalwellen unterscheiden
Bei einer Transversalwelle steht die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bei einer Longitudinalwelle sind beide Richtungen parallel. Entscheidend ist also nicht das Aussehen der Welle, sondern die Bewegung der schwingenden Teilchen oder Felder.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Woran erkennst du den Wellentyp?
Stell dir zuerst diese zwei Fragen:
- In welche Richtung breitet sich die Störung aus?
- In welche Richtung schwingen die Teilchen oder die betrachtete physikalische Größe?
Transversalwelle
Bei einer Transversalwelle, auch Querwelle genannt, steht die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Kurz: Schwingung $\perp$ Ausbreitung.
Bei einer Welle auf einem gespannten Seil kann die Störung nach rechts laufen, während jedes kleine Seilstück nach oben und unten schwingt. Eine Momentaufnahme zeigt häufig Wellenberge und Wellentäler.
Longitudinalwelle
Bei einer Longitudinalwelle, auch Längswelle genannt, verläuft die Schwingungsrichtung parallel zur Ausbreitungsrichtung. Kurz: Schwingung $\parallel$ Ausbreitung.
In einer Schraubenfeder können sich die Windungen vor und zurück bewegen, während die Störung entlang der Feder läuft. Dabei entstehen abwechselnd Verdichtungen und Verdünnungen.
Vergleiche immer zwei Richtungen: senkrecht bedeutet transversal, parallel bedeutet longitudinal.
Was bewegt sich mit der Welle?
Eine Welle überträgt eine Störung und damit Energie oder Information. Das Medium wird dabei nicht als Ganzes vom Ausgangspunkt bis zum Ziel transportiert.
Bei einer mechanischen Welle schwingen die Teilchen des Mediums um ihre Gleichgewichtslage. Ein markierter Punkt auf einem Seil wandert deshalb nicht mit dem Wellenberg bis zum anderen Ende. Er bewegt sich nur auf und ab, während die Wellenform weiterläuft.
Ausbreitungsgeschwindigkeit
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell sich ein bestimmter Zustand der Welle, etwa ein Wellenberg oder eine Verdichtung, durch den Raum bewegt.
Die Teilchengeschwindigkeit beschreibt dagegen, wie schnell und in welche Richtung sich ein einzelnes Teilchen des Mediums gerade bewegt. Sie kann sich während einer Schwingung fortlaufend ändern. Ausbreitungs- und Teilchengeschwindigkeit sind daher nicht dasselbe.
Auf einem Seil läuft ein Wellenberg nach rechts. Ein farbig markiertes Seilstück wird zunächst nach oben, danach wieder nach unten bewegt.
- Der Wellenberg zeigt die Ausbreitung nach rechts.
- Das markierte Seilstück zeigt die Teilchenbewegung nach oben und unten.
- Das Seilstück reist nicht zusammen mit dem Wellenberg nach rechts.
Damit liegt eine Transversalwelle vor.
Wie ordnest du wichtige Beispiele ein?
Schall in Luft
Schall in Luft ist eine mechanische Longitudinalwelle. Luftteilchen schwingen vor und zurück. Dadurch entstehen Bereiche höheren Drucks mit dichter beieinanderliegenden Teilchen und Bereiche niedrigeren Drucks mit weiter auseinanderliegenden Teilchen.
Licht
Licht ist eine elektromagnetische Transversalwelle. Hier schwingen keine Teilchen eines notwendigen Mediums. Stattdessen verändern sich elektrische und magnetische Felder senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Licht kann sich deshalb auch im Vakuum ausbreiten.
Erdbebenwellen
Bei Erdbeben treten verschiedene Wellentypen auf:
- P-Wellen sind longitudinal.
- S-Wellen sind transversal.
Darum ist die pauschale Aussage „Eine Erdbebenwelle ist transversal“ ungenau.
Wasseroberflächenwellen
Wasseroberflächenwellen sind keine idealen reinen Transversalwellen. Oberflächennahe Wasserteilchen bewegen sich näherungsweise auf kreisförmigen Bahnen und besitzen damit Bewegungsanteile senkrecht und parallel zur Ausbreitungsrichtung. Sie sind eine Mischform.
Eine Zeichnung mit Wellenbergen und Wellentälern beweist allein noch keine Transversalwelle. Für die Einordnung musst du die tatsächliche Bewegung der Teilchen oder Felder betrachten.
Welche Aussagen brauchen eine Einschränkung?
Die Einteilung in longitudinal und transversal legt nicht allgemein fest, welcher Wellentyp schneller ist. Die Geschwindigkeit hängt vom Medium und von dessen Materialeigenschaften ab.
In einem einfachen elastischen Festkörper desselben Materials laufen longitudinale Wellen schneller als transversale Wellen. Daraus folgt aber nicht, dass jede beliebige Longitudinalwelle schneller als jede beliebige Transversalwelle ist.
Auch die Aussage „Transversalwellen brauchen immer einen Festkörper“ ist zu grob:
- Mechanische Transversalwellen im Inneren eines Mediums benötigen eine Rückstellkraft gegen seitliche Verschiebungen.
- Wasseroberflächenwellen sind gemischte Oberflächenbewegungen.
- Elektromagnetische Transversalwellen benötigen überhaupt kein materielles Medium.
Vertiefung: Polarisation
Bei einer Transversalwelle gibt es mehrere mögliche Schwingungsrichtungen senkrecht zur Ausbreitung. Wird eine bestimmte Richtung ausgewählt, spricht man von Polarisation.
Eine Longitudinalwelle besitzt diese Auswahl nicht: Ihre Schwingung ist bereits auf die Ausbreitungsrichtung festgelegt. Deshalb ist die Polarisierbarkeit ein Kennzeichen von Transversalwellen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Longitudinal- und Transversalwellen
- Transversal: Schwingung senkrecht zur Ausbreitung
- Longitudinal: Schwingung parallel zur Ausbreitung
- Mechanische Welle: Teilchen schwingen örtlich
- Wellenausbreitung: Störung, Energie oder Information wandert
- Beispiele: Seil transversal, Luftschall longitudinal
- Sonderfälle: Wasseroberfläche gemischt, Erdbeben mit P- und S-Wellen
- Polarisation: Kennzeichen von Transversalwellen
- Geschwindigkeit: vom Medium und seinen Eigenschaften abhängig
Abschluss-Check
Du kannst eine Welle nun systematisch untersuchen: Bestimme zuerst ihre Ausbreitungsrichtung, dann die Schwingungsrichtung und vergleiche beide. Prüfe bei Wasser, Erdbeben und elektromagnetischen Wellen zusätzlich, ob ein Sonderfall oder eine andere schwingende Größe vorliegt.