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Die Überlagerung von Wellen, auch Interferenz genannt, beschreibt das Phänomen, dass sich Wellen ungestört durchdringen und ihre Amplituden an jedem Punkt addieren.
Wenn zwei oder mehr Wellen am selben Ort zur selben Zeit zusammentreffen, addieren sich ihre Auslenkungen (Elongationen) punktweise. Dieses fundamentale Konzept bezeichnen wir als das Superpositionsprinzip. Das Besondere dabei ist, dass die Wellen einander nicht dauerhaft verändern; nach der Begegnung laufen sie so weiter, als hätten sie sich nie getroffen.
Das Resultat dieser Überlagerung nennen wir Interferenz. Ob sich die Wellen dabei verstärken oder abschwächen, hängt entscheidend von ihrer Phasenlage zueinander ab. Man kann sich das wie zwei Schwimmer in einem Pool vorstellen: Wenn beide gleichzeitig das Wasser nach oben drücken, entsteht eine doppelt so hohe Welle.
Von konstruktiver Interferenz spricht man, wenn Wellenberge auf Wellenberge und Täler auf Täler treffen. In diesem Fall addieren sich die Amplituden zu einem Maximum. Die Bedingung hierfür ist, dass der Gangunterschied (der Wegunterschied Δ s zwischen zwei Wellenzügen) ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ beträgt (0, λ, 2λ, ...).
Im Gegensatz dazu führt destruktive Interferenz zur Abschwächung oder völligen Auslöschung. Dies geschieht, wenn ein Wellenberg auf ein Wellental trifft. Die Wellen sind dann 'gegenphasig'. Damit dies passiert, muss der Gangunterschied ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge sein (λ/2, 3λ/2, ...).
Damit ein zeitlich stabiles Interferenzmuster (wie man es etwa in der Optik beobachtet) entstehen kann, müssen die Wellenquellen kohärent sein. Kohärenz bedeutet, dass die Wellen die gleiche Frequenz besitzen und eine zeitlich konstante Phasendifferenz aufweisen. Ohne Kohärenz würden sich die Verstärkungen und Auslöschungen so schnell ändern, dass wir nur eine durchschnittliche Intensität wahrnehmen.
Ein Spezialfall der Überlagerung ist die stehende Welle. Sie entsteht, wenn zwei identische Wellen mit gleicher Frequenz und Amplitude in entgegengesetzte Richtungen laufen (oft durch Reflexion an einer Wand). Hierbei schwingen bestimmte Punkte gar nicht (Wellenknoten), während andere mit maximaler Amplitude schwingen (Wellenbäuche).
Im Gegensatz zu fortschreitenden Wellen findet bei einer reinen stehenden Welle kein Energietransport statt; die Energie bleibt zwischen den Knoten 'gefangen'. Dies ist die physikalische Grundlage für fast alle Musikinstrumente, bei denen Saiten oder Luftsäulen in Resonanz versetzt werden.
Die Überlagerung ist auch die Ursache für das Phänomen der Schwebung. Wenn sich zwei Wellen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen überlagern, variiert die resultierende Amplitude periodisch. In der Akustik nehmen wir dies als ein An- und Abschwellen der Lautstärke wahr, was beispielsweise zum Stimmen von Instrumenten genutzt wird.
