Oberflächenwelle

Oberflächenwellen sind Grenzflächenwellen an der freien Oberfläche eines Körpers bzw. an dessen Phasengrenzschicht (beispielsweise Wasseroberfläche). Sie sind weder rein transversale noch rein longitudinale Wellen. Oberflächenwellen können nach dem Aggregatzustand der Medien unterschieden werden, an deren Oberfläche sie sich ausbreiten.

• an fester Oberfläche: Seismische Wellen, akustische Oberflächenwellen

• an flüssiger Oberfläche: Schwerewellen, Kapillarwellen; siehe auch: Dispersion (Wasserwellen)

• an gasförmiger Oberfläche: Schwerewellen

Oberflächenwellen in Flüssigkeiten

Schwerewellen südlich der Straße von Messina. Man erkennt die höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit mit wachsender Wellenlänge

An der Oberfläche von Flüssigkeiten können Schwerkraft und Oberflächenspannung als rücktreibende Querkräfte wirken, welche die Rolle des Schubmoduls übernehmen. Daraus resultieren transversale Oberflächenwellen, deren Ausbreitung im Allgemeinen schwer beschrieben werden kann. Bei Betrachtung der Flüssigkeitsteilchen an der Oberfläche lässt sich feststellen, dass diese nicht von der Welle transportiert werden, d.h. dass diese ortsfest verbleiben, bis auf eine kleine Bewegung um einen Kreis mit dem Radius, der der halben Wellenhöhe entspricht. Dies erklärt sich darin, dass jedes Volumenelement dV an der Wasseroberfläche eine Kurve durchläuft, die durch einen Kreis um ein feststehendes Zentrum auf der Mittelebene angenährt werden kann. Die Wellengeschwindigkeit hängt von der Dichte ρ, der Oberflächenspannung σ und vom Verhältnis (Flüssigkeitshöhe/Wellenlänge) h / λ ab. Für die Wellengeschwindigkeit gilt:

$v_{ph} = \sqrt{\left(\frac{g\lambda}{2\pi}+\frac{2\pi\sigma}{\rho\lambda}\right) \tanh{\frac{2h\pi}{\lambda}}}$.

Daraus lässt sich ableiten, dass diese Oberflächenwellen eine Dispersion zeigen, da ihre Geschwindigkeit von der Wellenlänge λ abhängt.

Formen von Wasserwellen

• Kapillarwellen

Periode: bis 1 s

Ursache: Wind, Schall, Ultraschall; kleines Hindernis beim Strömen (Schießen oder Fließen)

• gewöhnliche Schwerewellen

Periode: 1 bis ungefähr 12 s

Ursache: Wind; Strömungshindernis, Turbulenz

• Dünung, Infraschwerewellen

Periode: 0,5 bis 5 min

Ursache: gewöhnliche Schwerewellen, Wind

• Seiches, Tsunami

Periode: 5 min bis mehrere Stunden

Ursache: Erdbeben, Wind und Luftdruckänderungen

• Gezeitenwellen

Periode: 12 bzw. 24 Stunden

Ursache: Mond, Sonne

• Transgezeitenwellen (langperiodische Wellen)

Periode: >24 Stunden

Ursache: Mond, Sonne, Stürme

Quellen und Literatur

• Demtröder Experimentalphysik Band 1 - Springer Verlag - ISBN 3-540-26034-x
• Stöcker - Taschenbuch der Physik - ISBN 3-8171-1556-3