Mal angenommen, Sie h?tten einen gigantischen Grillrost, auf dem problemlos einige hundert Nürnberger Bratwürste Platz f?nden. Dann k?nnten Sie ihn nicht nur nutzen, um die gesamte Schule Ihrer Kinder zum Barbecue einzuladen. Die zahlreichen parallel zueinander ausgerichteten Edelstahl-Streben eignen sich n?mlich auch ganz hervorragend, um Rayleigh-Bloch-Wellen zu erzeugen.

Bei ihnen handelt es sich um Schwingungen, die sich von Strebenzwischenraum zu -zwischenraum ausbreiten und w?hrenddessen keine Energie verlieren. Oberhalb oder unterhalb des Rosts klingen sie dagegen rasch ab. ?Dabei ist es prinzipiell egal, ob es sich um Schall-, Licht- oder Wasserwellen handelt“, erkl?rt Prof. Dr. Malte Peter vom Institut für Mathematik der Universit?t Augsburg. ?Um zu entstehen, ben?tigen sie aber stets einen Rost aus m?glichst vielen regelm??ig wiederkehrenden Streben, an denen sie sich gewisserma?en entlang hangeln k?nnen.“

Auf die Frequenz kommt es an

Rayleigh-Bloch-Wellen sind unter anderem deshalb gefürchtet, weil sie sehr gro?e Energien freisetzen k?nnen. Werden etwa im Meer in regelm??igem Abstand Pylone im Boden verankert, besteht theoretisch die Gefahr, dass diese durch die Wellen zerst?rt werden. Allerdings sind manche Aspekte ihrer Entstehung bislang erst unzureichend verstanden. ?So wissen wir beispielsweise, dass nur Schwingungen mit einer niedrigen Frequenz Rayleigh-Bloch-Wellen erzeugen k?nnen“, sagt Peter. ?Oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz verschwinden sie abrupt. Interessanterweise gibt es aber vereinzelte hohe Frequenzen, bei denen sie sich dann wieder nachweisen lassen. Lange Zeit wusste man nicht, was der Zusammenhang ist und wohin sie bei den Frequenzen dazwischen verschwinden.“

Zusammen mit seinem Kollegen Prof. Dr. Luke Bennetts von der Universit?t Adelaide hat der Augsburger Wissenschaftler sich vor einigen Jahren daran gemacht, dieses R?tsel zu knacken. Damals gelang es den beiden, die Rayleigh-Bloch-Wellen mathematisch zu charakterisieren. Demnach verwandeln sie sich oberhalb der Grenzfrequenz in eine Art Phantom. In der Sprache der Mathematik ausgedrückt, l?sst sich der Abstand zweier Wellenk?mme zueinander dann pl?tzlich nur noch mithilfe imagin?rer Zahlen berechnen (als imagin?r bezeichnet man Zahlen, die - wenn man sie mit sich selbst multipliziert - einen negativen Wert ergeben; normalerweise sind Quadratzahlen dagegen immer positiv).

Allerdings gibt es Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz, bei denen dieser imagin?re Anteil sehr klein wird. Und genau in diesen F?llen lassen sich die Rayleigh-Bloch-Wellen dann pl?tzlich wieder nachweisen. ?Bislang wussten wir aber nicht, ob dieses Ph?nomen sich nur in unseren Formeln zeigt oder auch in der Realit?t auftritt“, erkl?rt Peter. Mit der aktuellen Studie hat sich das nun ge?ndert: Darin weisen Forschende der Universit?t Exeter nach, dass Bennetts und Peters Berechnungen wohl korrekt sind. Sie nutzten dazu eine Art riesigen Grillrost, bei dem sie auf einer Seitenstrebe einen kleinen Lautsprecher angebracht hatten. Dieser erzeugte T?ne in verschiedenen Frequenzen. Mit einem Mikrofon untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun, wie sich die Schallwellen entlang des Rosts ausbreiteten.

Theoretische Vorhersage experimentell best?tigt

Dabei zeigte sich unterhalb einer bestimmten Tonh?he das charakteristische Rayleigh-Bloch-Verhalten: Direkt um die Streben war die Lautst?rke sehr hoch, oberhalb und unterhalb der Rost-Ebene nahm sie dagegen abrupt ab. Sobald die Grenzfrequenz überschritten wurde, verschwanden die Rayleigh-Bloch-Wellen jedoch. Genau in den Frequenzbereichen, die die Formeln von Bennetts und Peter vorhergesagt hatten, waren sie dann aber pl?tzlich wieder nachweisbar. Allerdings ?schmiegten“ sie sich dann nicht mehr so eng an die Streben, sondern breiteten sich auch etwas vertikal zur Rostebene aus. ?Wir interpretieren das als Einfluss ihres imagin?ren Anteils, der bei diesen Frequenzen zwar sehr klein ist, aber immer noch vorhanden“, sagt Peter.

Die Ergebnisse verbessern das Verst?ndnis der exotischen Wellen und erlauben damit auch eine bessere Einsch?tzung, unter welchen Bedingungen sie eventuell gef?hrlich werden k?nnen. Sie erm?glichen es aber auch, Antennen zu designen, mit denen sich die Rayleigh-Bloch-Wellen optimal weiterleiten lassen. M?glicherweise lassen sich die Wellen dadurch in Zukunft beispielsweise zu Kommunikationszwecken nutzen, um Signale ?hnlich wie mit einem Glasfaser-Kabel verlustarm weiterzusenden.

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