Quelltext der Seite Stehende Welle

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{{Begriffsklärungshinweis|Zur Überströmung von Hindernissen siehe [[Stehende Welle (Strömung)]].}}

[[Datei:Standing wave 2.gif|mini|Eine stehende Welle (schwarz) als Überlagerung zweier gegenläufiger [[Wanderwelle]]n (rot und blau). Die Knoten der stehenden Welle befinden sich an den roten Punkten.]]

Eine '''stehende Welle''', auch '''Stehwelle''', ist eine [[Welle]], deren Auslenkung an bestimmten Stellen immer bei Null verbleibt. Sie kann als Überlagerung zweier gegenläufig fortschreitender Wellen gleicher [[Frequenz]] und gleicher [[Amplitude]] aufgefasst werden. Die gegenläufigen Wellen können aus zwei verschiedenen Erregern stammen oder durch [[Reflexion (Physik)|Reflexion]] einer Welle an einem Hindernis entstehen. Bei Wasserwellen siehe [[Clapotis]].

Ein mechanisches Beispiel einer eindimensionalen stehenden Welle ist eine Seilwelle, bei der man ein Seilende auf und ab bewegt und so eine fortschreitende Welle im Seil erzeugt. Ist das andere Seilende befestigt, so wird die Welle dort reflektiert und läuft auf dem Seil zurück. Als Folge sieht man keine fortschreitende Welle mehr, sondern das Seil vollführt eine [[Schwingung]], bei der bestimmte Stellen in Ruhe bleiben ('''Wellenknoten''' oder '''Schwingungsknoten''', auch ''Schnelleknoten''), während andere mit großer Schwingungsweite ([[Amplitude]]) hin und her schwingen ('''Wellenbäuche''' oder '''Schwingungsbäuche''', auch ''Schnellebauch'').

== Hintergrund ==
Der Abstand zweier Wellenknoten oder zweier Wellenbäuche ist die halbe [[Wellenlänge]] der ursprünglichen fortschreitenden Wellen.

Bei manchen stehenden Wellen ist eine zweite Größe wichtig, deren Knoten und Bäuche um eine Viertel-Wellenlänge gegenüber denen der ersten Größe verschoben sind. Bei einer stehenden [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Welle]] sind die beiden Größen die elektrische und die magnetische [[Feldstärke]], bei einer stehenden Schallwelle in einem [[Holzblasinstrument|Blasinstrument]] der [[Schalldruck]] und die [[Schallschnelle]]. In diesen Fällen sind die Begriffe Bauch und Knoten daher doppeldeutig; klar sind Bezeichnungen wie ''Druckbauch, Druckknoten, Schnellebauch (Amplitudenbauch), Schnelleknoten (Amplitudenknoten)''.

Wenn die stehende Welle mittels zweier gleichphasiger (synchron schwingender) Erreger erzeugt wird, befindet sich ein (Amplituden)bauch genau in der Mitte zwischen ihnen, da die Wellen hier gleichzeitig eintreffen und sich stets gegenseitig verstärken. Eine Viertel-Wellenlänge hiervon entfernt beträgt die Zeitdifferenz des Eintreffens eine halbe Schwingungsperiode. Die Wellen sind hier gegenphasig und löschen sich aus, es entsteht ein (Amplituden)knoten. (Knotenpunkt) Durch Verallgemeinerung dieser Überlegung findet man die Bedingungen:

''Bauch'': Der Abstand d eines Schwingungsbauches vom Mittelpunkt ist ein Vielfaches der halben Wellenlänge.
:<math>d = n  \cdot \frac{\lambda}{2} \qquad \text{mit} \qquad n = 0, 1, 2, \dots</math>

''Knoten'': Der Abstand d eines Schwingungsknotens vom Mittelpunkt ist ein Vielfaches der halben Wellenlänge plus ein Viertel.
:<math>d = \left(n + \frac{1}{2}\right)  \cdot \frac{\lambda}{2} \qquad \text{mit} \qquad n = 0, 1, 2, \dots</math>

Die von der Welle transportierte Energie wird durch die Reflexion zurückgeworfen. Auf einem [[Wellenleiter]] mit durch vollständige Reflexion entstandener stehender Welle findet daher kein Energietransport statt. Wird die Welle nur teilweise reflektiert, ergibt sich eine Überlagerung von stehender und fortschreitender Welle. In diesem Fall wird Energie transportiert.

== Stehende Wellen zwischen zwei Reflektoren ==
Zwischen zwei Reflektoren können sich nur stehende Wellen mit bestimmten Wellenlängen bilden. Die Frequenzen zu diesen Wellenlängen werden als [[Eigenfrequenz]]en oder Eigenresonanzen bezeichnet.

Welche Randbedingung dazu führt, dass die Wellenlängen nicht beliebig sein können, hängt von der Art der betrachteten Welle ab. Beispielsweise muss bei fest eingespannten Enden einer schwingenden [[Saite]] an beiden Enden jeweils ein Schwingungsknoten vorliegen, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Bei einer stehenden [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Welle]] gilt, dass die [[elektrische Feldstärke]] am reflektierenden Leiter null sein muss, wohingegen die [[magnetische Feldstärke]] dort immer einen Schwingungsbauch besitzt. Bei der resultierenden elektromagnetischen Welle sind nun elektrisches Feld und magnetisches Feld um 90° phasenverschoben, wobei das E- und H-Feld der hin- bzw. rücklaufenden Welle phasengleich sind.

Bei einer stehenden (akustischen) Longitudinalwelle tritt an jeder reflektierenden Wand in einem Raum immer ein Schalldruckbauch auf; siehe [[Raummode]]n. In der Akustik interessiert überwiegend die [[Schallfeldgröße]] als [[Schalldruck]].

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Standing wave.svg|Elektrisches Feld und magnetisches Feld bei der Reflexion zu einer stehenden Welle
Waves in Box.svg|Die drei größten Wellenlängen, die bei einer fest eingespannten Saite entstehen.
Vibration corde trois modes petit.gif|Grundschwingung, darunter erster und zweiter Oberton
</gallery>

== Stehwellenverhältnis ==
Ein Maß für den Anteil stehender Wellen auf einem elektrischen Leiter ist das [[Stehwellenverhältnis]] (englisch: {{lang|en|'''''s'''tanding '''w'''ave '''r'''atio''}} = SWR).

== Anwendungen ==
* Elektromagnetische Wellen im [[Hohlraumresonator]], z.&nbsp;B. in [[Teilchenbeschleuniger]]n
* [[Atomorbital#Quantentheorie|Quantenmechanische]] Erklärung des Wasserstoffatoms
* [[Musikinstrument]]e (siehe z.&nbsp;B. [[Saiteninstrument]]e, [[Holzblasinstrument]]e, auch [[Chladnische Klangfigur]]).
* In Konzertsälen wird nach Möglichkeit vermieden, dass [[Resonanz (Physik)|Resonanzen]] durch stehende Wellen auftreten. Hier wird auf eine für alle Frequenzen gleichmäßig hohe [[Dämpfung]] Wert gelegt.
* Ein [[optischer Resonator]] stabilisiert die Wellenlänge („Farbe“) des [[Laser]]lichts.
* Stehende Wellen (rhythmische Schwingung) des Wassers in Seen, Buchten oder Hafenbecken bezeichnet man als [[Seiche]] (siehe auch [[Seerhein#Wasserwunder von Konstanz|Wasserwunder von Konstanz]]).

== Weitere Bilder ==
Durch die Bewegung der Moleküle können auch größere Teilchen wie Wassertropfen bewegt werden. Die Tropfen sammeln sich in den Schwingungsknoten einer stehenden Welle, die sich aufgrund eines unterhalb der Tropfen angeordneten Schallreflektors ausbildet (Reflektor wurde nicht mitfotografiert). Der Abstand zwischen Wandlerstirnfläche und Reflektor muss passend zur Wellenlänge in Luft gewählt werden.

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Datei:Standing waves1.gif|Treffen kurze Wellenzüge aufeinander, entsteht nur während der Zeit der Begegnung eine stehende Welle.
Datei:Circular Standing Wave.gif|Für eine kreisförmige stehende Welle muss ein ganzzahliges Verhältnis Umfang/Wellenlänge vorliegen.
Datei:Dynamikum Stehende Welle.ogg|Visualisierung einer stehenden akustischen Welle in einem beschallten, mit Styroporkügelchen gefüllten Glasrohr im [[Dynamikum]]
Datei:Stehende-Wellenformen-(1-5)-im-einseitig-offenen-konischen-Rohr.jpg|Stehende Wellenformen (1–5) im einseitig offenen konischen Rohr
Datei:J58 AfterburnerT.jpeg|Stehende Welle in der Nachbrennerflamme eines [[Pratt & Whitney J58|J58-Triebwerks]] auf dem Prüfstand. Die einzelnen Druckbäuche ([[Machscher Knoten|Machsche Knoten]]) sind jedoch nicht Teil einer einzigen stehenden Welle, denn jede aus dem Triebwerk austretende Gasscheibe besitzt eine stehende Welle, die für kurze Dauer anhält und beim passieren der Machschen Knoten immer einen Druckbauch hat.
</gallery>

== Siehe auch ==
* [[Interferenz (Physik)]]
* [[Schwingungsmoden]]
* [[Knotenfläche]]
* [[Mach’scher Knoten]]

== Literatur ==
* W. Demtröder: ''Experimentalphysik 1''. 5. Auflage, Springer 2008, ISBN 978-3-540-79294-9
* Andreas Friesecke: ''Die Audio-Enzyklopädie. Ein Nachschlagewerk für Tontechniker.'' Saur, München 2007, ISBN 978-3-598-11774-9.
* Philipp Bohr: ''Physik.'' Lehrbuch für die Oberstufe, Norderstedt 2004, ISBN 3-8334-5041-X.
* Peter Kaltenbach, Heinrich Meldau: ''Physik und Funktechnik Für Seefahrer.'' Friedrich Vieweg & Sohn, Braunschweig 1938.
* F. W. Gundlach: ''Grundlagen der Höchstfrequenztechnik.'' Springer, Berlin/Heidelberg 1950.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Standing waves|Stehende Wellen}}
* [http://katgym.by.lo-net2.de/c.wolfseher/web/interferenz/ueberlagerung4_stehendewelle_de.html Dynamische Veranschaulichung der Entstehung von stehenden Wellen und Schwebungen]
* [http://www.fairaudio.de/hifi-lexikon-begriffe/stehende-welle-raummoden.html Auswirkung Stehende Welle auf Raumakustik (Beispielrechnung & Grafik)]
* [http://www.sengpielaudio.com/StehendeWellen.htm Der Unterschied zwischen stehenden Wellen bei Saiten und den Raummoden als Schalldruckverteilung]
* [https://tu-dresden.de/mn/physik/ressourcen/dateien/studium/lehrveranstaltungen/praktika/pdf/SW.pdf?lang=de Stehende Wellen] (abgerufen am 25. September 2017)

[[Kategorie:Nachrichtentechnik]]
[[Kategorie:Welle]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]
[[Kategorie:Wellenlehre]]
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