Unsere Welt besteht aus Elementarteilchen, die Form und Verhalten von Wellen aufweisen können. Mit anderen Worten: Wellen sind überall um uns herum und die Welt ist aus Wellen aufgebaut wie zum Beispiel bei einer Gitarrensaite die einen Ton erzeugt.

Energie breitet sich im Raum durch Wellenbildung aus. Die Wellenlänge (d.h. die Entfernung, die eine einzelne Welle im Raum einnimmt) hängt von der Geschwindigkeit der Wellenausbreitung und der Frequenz der Wellenbewegung ab. Je höher die Geschwindigkeit, desto längere Wege kann in einer einzigen Periode zurückgelegt werden und desto länger ist damit die Wellenlänge. Je höher die Wellenfrequenz, d.h. je kürzer eine einzelne Schwingung dauert, desto kürzer ist die Wellenlänge. Die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung hängt von der Art der Wellenbewegung und den Eigenschaften der Umgebung ab. So breitet sich z.B. ein sichtbares Licht (elektromagnetische Wellenbewegung) im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus, aber es reist etwa 40% langsamer durch Glas - deshalb funktionieren zum Beispiel Brillen.

Wenn die Welle auf ein Hindernis trifft, wird sie zurückreflektiert (typischerweise in einer umgekehrten Phase). Die reflektierte Welle reist durch den Raum zurück und addiert sich mit den kommenden Wellen in der entgegengesetzten Richtung. Die reflektierte Welle hat etwa die gleiche Geschwindigkeit und Amplitude und somit tritt ein interessantes Phänomen auf: eine stehende Welle. Bei fortschreitenden Wellen wird die Energie in Richtung der Wellenausbreitung übertragen, während bei der stehenden Welle keine Energie übertragen wird. Wenn die Wellenbewegung z.B. durch die Umgebung gedämpft wird, muss weiterhin Energie bereitgestellt werden, um die stehende Welle aufrecht zu erhalten.

Aufgabe: Wir spielen mit der mechanischen Wellenbewegung. Wir nehmen ein dickes elastisches Seil und binden es an einem Ende an etwas fest. Baut und programmiert einen Roboter, der das freie Ende des Seils ergreift und mit einer veränderbaren Frequenz schüttelt, so dass eine Welle entsteht, die das Seil in Richtung des gebundenen Endes bewegt und dann zurückreflektiert. Wenn die Wellen in einer richtigen Frequenz erzeugt werden, befindet sich der Ort, an dem der Roboter das Seil hält, zufällig in einer ruhigen Position der stehenden Welle. Versucht die Frequenz so abzustimmen, dass die Grundfrequenz und damit eine stehende Welle erreicht werden. Findet ihr auch die zweite und dritte harmonische Frequenz? Könnt ihr das Experiment mit verschiedenen Seillängen wiederholen? Könnt ihr die Frequenzen messen? Könnt ihr die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung bestimmen?

Tipp:

1) Wenn das Seil nicht flexibel ist, spannt es am Ende mit etwas Elastischem.

2) Anstelle eines Seils könnt ihr auch eine große Feder verwenden.

3) Die Geschwindigkeit der Wellen auf einer Feder ist abhängig vom Federgewicht (je schwerer, desto langsamer) und der Federspannung (je stärker gespannt, desto schneller).

Nachdem es Australien gelingt, die ausgedehnten Brände zu stoppen, werden die zerstörten Wälder mit einer Fläche größer als die der Slowakei wiederhergestellt werden müssen. Dazu müssen viele Bäume gepflanzt werden. Einige asiatische Länder haben beschlossen, auf großen Flächen Wälder zu pflanzen. Eine der effizienten Möglichkeiten, die steigenden CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre zu bekämpfen, ist die Pflanzung von Bäumen, auch wenn diese alleine nicht ausreicht. Einige slowakische Städte haben beschlossen, auf dem Stadtgebiet Obstgärten anzulegen...

Aufgabe: Bau und Programmierung eines Roboters, der "Bäume pflanzen" soll. Der Roboter soll so viele Bäume wie möglich in einem rechteckigen Bereich pflanzen. Ihr könnt das Gebiet nach Bedarf markieren. Als Baum wird jede Konstruktion aus LEGO-Teilen betrachtet, die mindestens doppelt so hoch wie breit ist und mindestens 4cm hoch ist. Die gepflanzten Bäume sollen stehen.