Strandwellen
Physik
Basiswissen
Die alltägliche Vorstellung einer Welle dürfte für viele Menscheneng mit den echten Wellen an einem Strand verbunden sein. Diese realen Wasserwellen sind sehr komplizierte Gebilde mit physikalisch schwer greifbaren Eigenschaften. Gleichzeitig kann man an ihnen aber auch gut einige typische Eigenschaften von Wellen in einem allgemeineren Sinn der Physik leicht beobachten.
Kurzes Video zu Strandwellen
Wellen am Strand von Wangerooge. Vom Ufer aus gesehen kamen an der zweiten Stange in 1:46 min, also etwa 100 Sekunden, gut 16 Wellen vorbei. Verteilt man die 16 Wellen gleichmäßig auf die 106 Sekunden Sekunden sind das gut 0,16 Wellen pro Sekunde. Die Wellen hier haben eine Frequenz von etwa 0,16 Hz.
Eigenschaften von Strandwellen
In der Physik werden Wellen oft als einfache Schlängellinie, eine sogenannte Sinusform dargestellt. Während diese modellhafte Vorstellung oft sehr gut geeignet ist, um etwa Phänomene wie Schall oder Licht im Sinne von Wellen zu beschreiben, zeigen Wellen am Strand auch Eigenschaften, die deutlich komplizierter zu fassen sind.
Die Wellen brechen sich
Das auffälligste Phänomen von Strandwellen dürfte ihr Brechen sein. Wenn Wellen vom offenen Meer her kommend in flachere Bereiche gelangen werden sie zunächst deutlich höher, langsamer und irgendwann beginnen sie sich zu brechen. Das erkennt man dann an den weißen Schaumkronen oben auf dem Wellenberg. Siehe dazu auch Wellenbrechen ↗
Die Wellen laufen immer zum Strand hin
Wellen am Strand laufen immer hin zum Strand. Man wird nie Wellen beobachten, die sich parallel zum Strand fortbewegen. Und schon gar nicht wird man Wellen sehen, die vom Strand hin aufs offene Meer wegführen. Das ist verwunderlich. Denn die meisten Wellen entstehen durch den Wind weit entfernt von Küsten. Sie haben dann auf dem Meer alle in etwa dieselbe Richtung. An einer kleinen Insel muss sich die Richtung dieser Welle dann aber so ändern, dass sie überall zum Ufer hinlauf. Dieser nur scheinbare Widerspruch ist näher betrachtet im Artikel zum Strandwellenparadoxon ↗
Die Wellen haben Berge und Täler
Augenfällig sind meist zunächst die Wellenberge. Gegenüber der ruhenden Wasseroberläche haben Wellen aber auch Täler. Das kann man am besten in einem Wellenbad erfahren. Kurz bevor die Wellenmaschine in Gang gesetzt wird, stellt man sich an eine Stelle, an der die ruhende Wasseroberfläche bis etwa zur Hüfte reicht. Wenn die Wellen dann ankommen, kann man sehen, dass die Wellenberge deutlich über die Hüfte hinausgehen, die Wellentäler aber das Wasser nach unten sehr viel stärker freilegen. Siehe auch Wellenberg ↗
Die Wellen haben eine Geschwindigkeit
Um die Geschwindigkeit einer Welle am Strand abzuschätzen kann man mit Hilfe einer Stoppuhr oder durch Sekundenzählen messen, wie lange sie für eine bestimmte Strecke benötigt. Am einfachsten betrachtet man dazu einen Wellenkamm, die höchste Stelle auf einem Wellenberg. Größere Wellen sind meist schneller als kleine. Typische Geschwindigkeit sind einige wenige Meter pro Sekunde. Interessant ist, dass die Wellen langsamer werden, wenn sie in flacheres Wasser kommen. Daher kommt es letztendlich auch, dass sie sich auftürmen: die hinteren Teile der Welle laufen dann sozusagen auf die langsamer werdenden vorderen Teile auf. Der Effekt tritt unter anderem auch bei einem Tsunami auf, mit oft tödlichen Folgen. Siehe auch Wellengeschwindigkeit ↗
Die Wellen haben eine Wellenlänge
Als Wellenlänge bezeichnet man den kürzesten Abstand von einem Wellenkamm zum darauffolgenden. Der Wellenkamm ist die höchste Stelle des Wellenberges. Die Wellenlänge typischer Wellen am Strand liegt im Bereich einiger Meter bis wenige Zehnermeter. Um die Wellenlänge abzuschätzen kann man zum Vergleich Boote oder auch Buhnen oder Kaimauern verwenden. Eine interessante Beobachtung ist, dass die Wellenlänge umso kleiner wird, je flacher das Wasser ist. Siehe auch Wellenlänge ↗
Die Wellen haben eine Frequenz
Die Frequenz von Wellen am Strand kann man auf zwei Weisen bestimmen: man blickt auf einen festen Punkt am Meer und zählt dort die Sekunden zwischen zwei dort durchlaufenden Wellenkämmen. Der Kehrwert dieser Zeit in Sekunden ist die Frequenz der Wellen. Wenn man etwa 4 Sekunden zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenkämmen zählt, dann ist die Frequenz 1/4 oder 0,25 Wellen pro Sekunde. Siehe mehr unter Wellenfrequenz ↗
Die Wellenformel
Die Geschwindigkeit, die Frequenz und die Länge einer Welle sind über eine Formel miteinander verbunden: c = l·f. Das kleine c steht dabei für die Geschwindigkeit, das kleine lateinische l, oft auch als griechisches Lamda λ geschrieben für die Wellenlänge. Und das f, oft auch als griechisches Ny v geschrieben für die Frequenz. In Worten gesagt: das Produkt aus Frequenz und Wellenlänge gibt immer die Geschwindigkeit der Welle. Siehe dazu auch c=lf ↗
Die Wellen sind oft sehr unregelmäßig
Beobachtet man an einen typischen Strand, etwa der Nordseeküste, ankommende Wellen, so wird man oft eine große Unregelmäßigkeit bei ihnen feststellen können. Manche Wellen laufen quer zu anderen, die Welllenlänge und die Frequenz schwanken oft sehr stark, genauso wie auch die Höhen der Wellen. Dafür gibt es mehrere Gründe. Der Wind auf See ändert sich, Wellen werden an Hindernissen zurückgeworfen und überlagern nachkommende Wellen oder vom Strand zurücklaufende Wellen laufen den ankommenden Wellen entgegen. Die Frage nach der Länge oder Frquenz der Strandwellen als Ganzem ist also schwer zu beantworten. Man kann aber Mittelwerte oder Durchschnittswerte bilden. Wenn man zum Beispiel 20 mal hintereinander die Länge von Wellen abschätzt und davon dann den Mittelwert nimmt, hat man die mittlere oder durchschnittliche Wellenlänge. Dieser Wert ist dann oft für lange Zeiten sehr stabil[1]. Siehe auch arithmetisches Mittel ↗
Achtung Lebensgefahr: der Brandungsrückstrom
An manchen Küsten laufen die Wellen erst auf den Strand auf, dann läuft das Wasser von dort abwärts wieder zurück Richtung Meer. Wenn dieses zurückströmende Wasser dabei in Rinnen kanalisiert wird, können gefährlich Strömungen entstehen, die sich auch im Meer fortsetzen. Solche Brandungsrückströme sind etwa in Florida aber auch anderswo immer wiede die Ursache für tödliche Badeunfälle. Siehe mehr unter Brandungsrückstrom ↗
Fußnoten
- [1] Dass man nicht Messergebnisse nicht auf Einzelereignisse bezieht sondern als Mittelwert für eine große Anzahl von Messungen ist in der Physik spätestens seit Galileo Galilei eine anerkannte Methode. In der Quantenphysik ist es sogar die einzig zuverlässige Methode für stabile Messwerte. So schreibt etwa der Quantenphysiker Max Born vom "wirklichen Vorgehen der Experimentalphysiker", dass sie für den "atomaren und subatomaren Bereich ihre Daten stehts durch Häufung von gleichartigen Messungen gewinnen." In: Albert Einstein Max Born Briefwechsel 1916-1955. Geleitworte von Bertrand Russell und Werner Heisenberg. Ullstein Buch, Frankfurt am Main, 1986. ISBN: 3-548-3445-7. Dort die Seite 281. Siehe auch = arithmetisches Mittel
