Was ist eine Welle?

Zunächst ist die Frage zu stellen: Was ist eine Welle? Dazu muß der Begriff der Schwingung erläutert werden. Eine Schwingung ist die zeitlich, periodische Änderung einer physikalischen Größe. Damit ist die Schwingung vom Impuls ausreichend unterschieden. Demgegenüber ist eine Welle eine räumlich fortschreitende Schwingung. Konsequent zu ende geführt folgt aus diesem Gedanken, daß eine Welle durch einen Beobachter immer ausschließlich in Form einer Schwingung wahrgenommen werden kann da er immer nur die zeitliche Änderung einer physikalischen Größe an einem definierten Ort mißt. Da der Beobachter an verschiedenen Orten gleichzeitig messen kann — vorausgesetzt der Signalweg der Meßergebnisse ist hinreichend schneller als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle — folgert er bei ausreichender Korrelation der Messungen zu Recht darauf, daß es sich bei den einzeln gemessenen Schwingungen um eine Welle handelt.

Wellen in Kontinuuen sind im Weiteren grundsätzlich unterschiedlich zu behandeln. Gase verhalten sich anders als Flüssigkeiten. Das folgt schlicht daraus, daß Gase im Gegensatz zu Flüssigkeiten kompressibel sind1. Demgegenüber verhalten sich Festkörper ganz grundsätzlich anders. In ihnen sind die Atome oder Moleküle ortsgebunden. Sie können sich nicht durch das Kontinuum bewegen. In Gasen und Flüssigkeiten können sich Strömungen ausbilden was in Festkörpern praktisch unmöglich ist. Demgegenüber haben aber in allen drei Aggregatzuständen die Atome bzw. Moleküle die Eigenschaft um einen festliegenden Mittelpunkt herum2 zu schwingen. Dieser Unterschied verursacht bei der Anregung von Schwingungen in einem Gas oder in einer Flüssigkeit ein Phänomen das bei Festkörpern nicht auftritt: Wird in einem Fluid eine Schwingung angeregt entsteht einerseits eine Schallwelle und zu anderen eine langsamere Strömung die sich eher in Form eines Impulses fortpflanzt.

Es ist noch ein weiteres Phänomen zu klären das in der Physik seit langem nur unvollständig definiert ist3. Es handelt sich um die Unterscheidung zwischen Transversal- und Longitudinalwellen. Bei letzteren breitet sich die Energie in Schwingungsrichtung aus. Bei ersteren senkrecht dazu. Bei der Analyse aller bekannten Vorgänge wird aber umgehend eine exakte Beschreibung augenfällig. Longitudinalwellen breiten sich immer innerhalb eines Mediums — gleich welchen Aggregatzustandes — aus. Trifft eine solche Welle auf ein Hindernis stellt das in erster Linie zunächst eine Membran dar. Die Grenzschicht zwischen beiden Medien bildet eben diese. Betrachtet man solche Membranen als eine differenziell dünne Schicht breitet sich auf eben dieser Schicht — und nur darauf — eine Transversalwelle aus. Besonders augenfällig wird sie bei den auf dem Wasser sichtbaren Oberflächenwellen. Im Wasser breitet sich eine Longitudinalwelle aus. Die Oberfläche bildet eine Membran auf der sich die selbe Welle transversal ausbreitet. Bei einer Saite tritt dieses Phänomen ebenfalls auf. Augenfällig schwingt sie transversal. Die eigentlich zum Schall führende Schwingung ist aber eine longitudinal durch die Dehnung der Saite auf den Korpus Vermittelte.