Ausbreitung und Eigenschaften mechanischer Wellen
Die Eigenschaften von Wellen lassen sich am besten am Beispiel von Wasserwellen untersuchen.
Wasserwellen
Wasserwellen sind sogenannte Oberflächenwellen (Kreiswellen):
Die Wasserteilchen führen eine kreisförmige (bzw. in tieferen Schichten ellipsenförmige) Bewegung aus, wobei für das wellenförmige Erscheinungsbild die Bewegungskomponente senkrecht zur Ausbreitungsrichtung entscheidend ist.
Als rücktreibende Kräfte wirken Kohäsionskräfte (Oberflächenspannung) und die Schwerkraft.
Bei kurzen Wellen (λ ≤ 1 cm) wirkt fast ausschließlich die Oberflächenspannung als rücktreibende Kraft (man spricht von Kapillarwellen), bei längeren Wellen (λ einige cm und größer) fast nur die Schwerkraft (→Schwerewellen).
Je nach Wassertiefe unterscheidet man zwischen Tiefwasserwellen und Flachwasserwellen.
Tiefwasserwellen
Tiefwasserwellen reichen nicht bis zum Meeresboden (das Wasser ist tiefer als λ/2).
Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit c hängt nur von der Wellenlänge ab.
Es gilt:
mit
(die Herleitung ist mathematisch recht kompliziert)
Laufen Wellen auf den Strand zu, werden sie abgebremst, türmen sich auf und brechen.
Beispiel:
Eine Welle mit der Wellenlänge breitet sich auf dem offenen Meer mit der Geschwindigkeit
aus.
Flachwasserwellen
Bei Flachwasserwellen reicht die Wasserbewegung bis zum Grund. Ihre Geschwindigkeit hängt nicht von der Wellenlänge, sondern nur von der Wassertiefe D ab.
Es gilt: mit
Brandungswellen sind typische Flachwasserwellen. Sie entstehen, wenn die unteren Wasserteilchen am Boden gebremst werden und die oberen sich noch ungebremst im Kreis bewegen.
Durch die langsamere Geschwindigkeit in flacherem Wasser nimmt auch die Wellenlänge ab. Dabei bewegen sich die Wasserteilchen weiter nach oben, so dass Brandungswellen sich am Ufer auftürmen, bevor sie brechen.
Auch bei Tsunamis reicht die Wasserbewegung bis zum Grund. Tsunamis verhalten sich also auch wie Flachwasserwellen, d.h. ihre Geschwindigkeit ist nur von der Meerestiefe abhängig. Bei einer Ozeantiefe von 4000m ergibt sich damit eine Geschwindigkeit von ca. 720km/h. Die Wellenlängen betragen mehrere hundert Kilometer.
Dadurch, dass die Wasserbewegung auch in großen Tiefen bis zum Grund reicht, steckt eine ungeheure Energie in Tsunamis, weshalb sie ganze Küstenabschnitte zerstören können.