Hallo ihr Wissendeen,
Schule ist jetzt schon eine Weile her, aber neulich habe ich mir ueberlegt, wie eigentlich Wellen entstehen? Wie sieht es denn dann mit dem Druck innerhalb des Wellenbergs aus, wie innerhalb des Wellentals? Wie ist die Verteilung der Molekuele? Habe ich im Wellenberg viele Molekuele unter hohem Druck oder viele Molekuele unter niedrigem Druck? Wie sieht es ab einer gewissen Tiefe aus? Gibt es da eine homogene Druckverteilung? Oder merkt man den Wellengang an der Oberflaeche? Oder pflanzt sich der Wellengang bis in die Tiefe fort? Bewegen sich die Wassermolekuele nur (horizontal) hin und her? Wieso sieht man Wellen an Straenden immer auflaufen, egal, ob der Strand nach Norden, Sueden, Osten oder Westen ausgerichtet ist (Insel beispielsweise)?
Waren vielleicht einige viele Fragen, habe aber noch keine FAQs dazu gefunden
Wasser ist ein nahezu inkompressibles Fluid, d.h. man kann es praktisch nicht zusammendrücken (im Gegensatz z.B. zu Luft). In 1 Kubikmeter Wasser aus dem Wellental ist also die gleiche Anzahl Moleküle enthalten wie in 1 Kubikmeter Wasser von der Spitze des Wellenberges.
Wasserwellen sind recht komplizierte Gebilde, aber ich versuche sie zu beschreiben. Auch wenn die Wellen sich dem Augenschein nach fortbewegen, bleiben die einzelnen Moleküle im Wesentlichen raumfest: Sie führen allesamt Kreisbewegungen aus. Die Radien der Kreise nehmen nach unten hin exponentiell ab. Wenn c die Wellengeschwindigkeit ist, ist der Dämpfungsfaktor für diese Abnahme g / c^2. Die Wellenlänge ist lambda = 2 pi c^2 / g. Die Winkelgeschwindigkeit der Kreisbewegung ist g / c.
Die Kreisbewegung läuft auf dem Wellenberg in Richtung der Ausbreitung. Die Phase setzt sich in Richtung der Wellenausbreitung linear fort, und zwar der Kreisbewegung entgegengesetzt. Als Wellenform ergibt sich allgemein eine Trochoide. Sobald h > lambda / pi wird (h ist die Höhe der Welle), schneidet sich die Trochoide selbst, was bedeutet, dass die Welle bricht: Die Moleküle laufen so schnell im Kreis, dass sie überschlagen.
Jetzt zu den Druckfragen: Der Druck muss überall auf der Oberfläche nahezu konstant sein, sonst würde der Druckunterschied einen kompensierenden Wind hervorrufen. Unter der Oberfläche nimmt der Druck im Wesentlichen wie üblich mit rho g zu, wobei durch die Wellenbewegung die äquibaren Flächen auch eine Wellenform bekommen. Deren Amplitude wird nach unten hin exponentiell gedämpft, genau wie die Kreisradien. Es gibt also eine Tiefenwirkung (Druckschwankungen), die aber schnell abnimmt.
Ich beziehe mich überall auf idealisierte Wellen auf dem freien Ozean. Etwas andere Gesetze gelten z.B. für Kapillarwellen (sehr feine Wellen) oder Wellen in seichten Gewässern. Am Strand zum Beispiel werden die Bewegungen der Moleküle elliptisch, ganz am Boden sogar linear, d.h. dort bewegen sie sich nur hin und her (wie man leicht beobachten kann).
An Stränden gibt es eine zunehmende Wassertiefe, weshalb in Strandnähe nur sehr kleine Wellen entstehen können. Große Kreisbewegungen können schließlich nicht ausgeführt werden. Diese kleinen Wellen laufen natürlich auch vom Strand fort, aber da sich insgesamt sehr viele Wellen überlagern, fallen sie nicht auf, denn in Strandferne werden sehr viel größere Wellen erzeugt, die dann auf den Strand zulaufen.
Ich hoffe, ich konnte helfen. Mit vielen Grüßen,
Hendrik