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Die Wellenmaschine besteht aus Stäben, die durch ein Klebeband in der Mitte miteinander verbunden sind. Zwischen den Stäben ist immer ein kleiner Abstand und an den beiden Enden der Stäbe befindet sich ein kleines Gewicht. Wenn man nun die Wellenmaschine in der Luft spannt und die Stäbe an einem Ende der Maschine nach oben oder unten auslenkt, sieht man, wie sich diese Auslenkung auf die benachbarten Stäbe überträgt und sich eine einzelne Welle bis zum anderen Ende der Wellenmaschine bewegt. Sobald die Welle am anderen Ende angelangt ist, bewegt sie sich wieder zurück zum Anfang und kann dort wieder reflektiert werden, bis die Auslenkung der Stäbe immer schwächer wird und irgendwann ausstirbt.
Die Wellenmaschine zeigt sehr schön, wie sich eine Welle ausbreitet. Man spricht hier von einer Transversal-Welle, weil die Auslenkung der Stäbe nach oben und unten erfolgt. Durch die Auslenkung des ersten Stabes an einem Ende der Wellenmaschine, wird auf diesen Stab eine Kraft ausgeübt und durch diese Kraft wird dem Stab eine gewisse Energie zugeführt. Da der Stab durch das Klebeband beweglich mit dem nächsten Stab verbunden ist, wird die Energie auf den Nachbarstab übertragen, der wiederum ausgelenkt wird und ebenfalls seine Energie an den benachbarten Stab weitergibt. So werden alle Stäbe nacheinander ausgelenkt und eine Welle entsteht. Am Ende der Wellenmaschine wird die Welle reflektiert und die Energieübertragung findet in die andere Richtung statt. Durch Energieverluste wie z.B. Reibung, wird die übertragene Energie immer geringer und die Welle stirbt langsam aus.
Für die Ausbreitung einer Welle werden schwingungsfähige Träger benötigt, die untereinander eine Kopplung aufweisen. Im Falle einer Wasserwelle sind das die Moleküle, die über Van-der-Wals-Kräfte gekoppelt sind. Hier bei der Wellenmaschine sind es die Stäbe, die über das Klebeband gekoppelt sind. Durch die Auslenkung des ersten Stabes, wird dieser aus seiner Ruhelage bewegt und der zweite Stab übernimmt diese Störung etwas zeitversetzt, aufgrund seiner Trägheit. Je nach Größe der Wellenmaschine (der Länge der Stäbe) und der Stärke der Kopplung, entsteht eine Welle mit einer bestimmten Frequenz f, Ausbreitungsgeschwindigkeit c und Amplitude A.
Wenn man der Wellenmaschine nicht nur einen Impuls am Anfang gibt, sondern sie kontinuierlich anstößt, kann man beobachten, dass sich an bestimmten Stellen in gleichen Abständen die Stäbe sehr stark nach oben und unten bewegen (Wellenbauch), während dazwischen Stäbe fast in Ruhe sind (Wellenknoten). Diesen Zustand nennt man stehende Welle. Sie entsteht durch die Überlagerung zweier gegenläufiger Wellen gleicher Frequenz und Amplitude. Die erste Welle ist die, die am einen Ende der Wellenmaschine durch die Bewegung erzeugt wird und die gegenläufige Welle entsteht durch die Reflexion der ersten Welle am anderen Ende. Stehende Wellen können nur bei bestimmten Frequenzen entstehen.
Text: Angelina Geyer