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Spaß mit stehenden Wellen

2019

In diesem Video sehen wir eine dramatische Demonstration von Mustern stehender Wellen, die entstehen, wenn sich wandernde Wellen konstruktiv und destruktiv gegenseitig stören, wenn sie sich gegenseitig durchdringen.

Sie können leicht selbst stehende Wellen schlagen, indem Sie ein Seil nehmen, es an einem Ende befestigen und das andere Ende auf und ab schütteln. Wenn Sie herumspielen, werden Sie feststellen, dass sich bei einer bestimmten Vibrationsfrequenz eine große Spitze in der Mitte des Seils bildet. Dies liegt daran, dass ein Wellengipfel, der sich das Seil hinunterbewegt und am Ende reflektiert, am gleichen Punkt auf die Welle trifft, was zu einer "Doppelwelle" führt. Diese Addition von Wellenspitzen nennt man konstruktive Interferenz. Wenn Sie Ihre ursprüngliche "Grundfrequenz" verdoppeln, erhalten Sie zwei große Spitzen mit einem flachen Punkt in der Mitte. Die großen Peaks (Antinodes) treten dort auf, wo die Wanderwellen in Phase sind und konstruktiv interferieren, während der flache Punkt (ein Knoten) dort auftritt, wo die Peaks genau phasenverschoben sind. Je mehr Wellen im Seil stehen, desto höher ist die "Harmonische".

Es ist kein Zufall, dass das Wort Harmonisch an Musik erinnert - die auf Musikinstrumenten gespielten Noten sind stehende Schallwellen. Wenn Sie zum Beispiel eine Klarinette anblasen, stören sich die Schallwellen, die sich innerhalb der Röhre hin und her bewegen, gegenseitig und erzeugen stehende Wellen. Diese führen zu einem lauten Resonanzklang bei einer bestimmten Frequenz (in diesem Fall auch als bestimmte Tonhöhe oder Note bezeichnet). Wenn Sie die Länge der Röhre ändern, indem Sie eines der Löcher schließen, hören Sie eine andere Note, da die Frequenzen der stehenden Welle von der Länge der Röhre abhängen.

Im Video ist die Idee dieselbe, aber die Wellenmuster sind komplizierter. Das Pulver auf dem vibrierenden Lautsprecher fließt ähnlich wie Wellen in einer Flüssigkeit. Wenn sich die Wellen entlang der Oberfläche bewegen, werden sie an den Rändern reflektiert, passieren andere Pulverwellen und wir sehen Interferenzmuster. Anders als beim Seil sind diese Muster jedoch zweidimensional und führen zu einer Vielzahl komplexer stehender Wellenzellen. Beachten Sie, dass eine höhere Tonhöhe des Lautsprechers (was einer höheren Vibrationsrate entspricht) - genau wie beim Seil - zu einer größeren Anzahl von stehenden Wellenzellen führt. Sie können auch sehen, dass sich diese Muster nur bei bestimmten Frequenzen bilden. Bei Zwischenfrequenzen gibt es keine stehenden Wellen.

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