Longitudinalwelle
Longitudinalwelle, Welle, die aus einer periodischen Störung oder Vibration besteht, die in der gleichen Richtung wie der Vorlauf der Welle stattfindet. Eine gewundene Feder, die an einem Ende zusammengedrückt und dann losgelassen wird, erfährt eine Kompressionswelle, die ihre Länge durchläuft, gefolgt von einer Dehnung; ein Punkt auf einer beliebigen Windung der Feder bewegt sich mit der Welle und kehrt auf demselben Weg zurück, wobei er die neutrale Position durchläuft und dann seine Bewegung wieder umkehrt. Schall, der sich durch Luft bewegt, komprimiert und verdünnt das Gas ebenfalls in der Ausbreitungsrichtung der Schallwelle, während es hin und her schwingt. Die seismischen P-Wellen (Primärwellen) sind ebenfalls longitudinal. Bei einer Longitudinalwelle schwingt jedes Materieteilchen um seine normale Ruhelage und entlang der Ausbreitungsachse, und alle an der Wellenbewegung beteiligten Teilchen verhalten sich auf die gleiche Weise, mit der Ausnahme, dass es zu einer fortschreitenden Änderung der Schwingungsphase kommt, d. h. jedes Teilchen schließt seinen Reaktionszyklus zu einem späteren Zeitpunkt ab. Die kombinierten Bewegungen führen dazu, dass in Ausbreitungsrichtung abwechselnd Bereiche der Kompression und der Verdünnung entstehen.
Ein mechanisches Modell ist hilfreich, um Longitudinalwellen zu erklären. Oben in der Abbildung sind die kleinen Massen A, B, C usw. durch Spiralfedern miteinander verbunden, um ein Übertragungsmedium darzustellen, das sowohl Trägheits- als auch Elastizitätseigenschaften besitzt. Da die Masse B eine Trägheit besitzt, dehnt eine Bewegung von A nach links (Pfeil 2) die Feder, an der sie befestigt ist, und eine Bewegung nach rechts (Pfeil 1) drückt sie zusammen. Eine entsprechende Bewegung wird über die Feder an B weitergegeben, allerdings mit einer leichten Verzögerung in der Phase. Die Masse B überträgt ihre Bewegung auf ihren Partner C und so weiter, wobei der Impuls von A auf K übergeht und die Verzögerung immer größer wird. In dem gezeigten Augenblick ist A gegenüber J um 360° phasenverschoben; A beginnt seine zweite Schwingung, während J gerade seine erste beginnt.
Aus Physik von Erich Hausmann und Edgar P. Slack von Litton Educational Publishing, Inc. Nachdruck mit Genehmigung der Van Nostrand Reinhold Company.
Eine transversale Darstellung einer Longitudinalwelle ist am unteren Rand der Abbildung dargestellt. Hier sind vertikale Linien durch die Ruhepositionen (gekennzeichnet durch a,b,c, usw.) gezogen, deren Länge proportional zu den Abständen ist, die die Massen aus dem Gleichgewicht bewegt haben (ihre Amplituden). Die Linien werden von der Achse nach oben gezogen, wenn die Verschiebung nach links erfolgt, und nach unten, wenn sie nach rechts erfolgt. Eine glatte Kurve, die durch die Enden der vertikalen Linien gezogen wird, ergibt eine Querkurve. Diese transversale Kurve zeigt, dass es pro Zyklus eine Kompression und eine Verdünnung gibt, wobei aj eine Wellenlänge ist. Die Frequenz wird durch die Anzahl der vollständigen Zyklen dargestellt, die von einer der Massen pro Sekunde ausgeführt werden.