Rarefaktionen

Rarefaktionen (Plural von Rarefaktion) bezeichnet in der Physik Regionen eines mechanischen Wellenfelds, in denen Dichte und Druck unter dem Gleichgewichtswert liegen. Bei longitudinalen Wellen, wie Schallwellen in Gasen oder Flüssigkeiten, wechseln sich Bereiche höherer Dichte und Druck (Kompressionen) mit Bereichen niedrigerer Dichte und Druck (Rarefaktionen) ab, während sich die Welle durch das Medium fortbewegt. Die Rarefaktion entspricht der Phase der Druckabsenkung hinter einer Kompressionszone. Die Größen Dichte ρ und Druck p schwanken zeitlich und räumlich; für ideale Gase stehen Druck und Dichte durch das thermodynamische Verhältnis in Beziehung, etwa p ∝ ρ^γ im adiabatischen Zustand. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer solchen Welle, die Schallgeschwindigkeit c, hängt von den mechanischen Eigenschaften des Mediums ab.

In der Akustik dient der Begriff der Rarefaktion dazu, die Phasenlage einer Schallwelle zu charakterisieren, in der der Druck und die Dichte unter dem Ruhezustand liegen. Die Amplituden der Dichteschwankungen können mit der Entfernung durch Dämpfung und Dispersion abgeschwächt werden.

In der Gasdynamik beschreibt der Begriff Rarefaktionswelle eine glatte Expansion, die sich als Expansion Fan in Lösungen der Euler-Gleichungen ergeben kann (Expansion fan). Sie tritt typischerweise auf, wenn ein Gas plötzlich erweitert wird, etwa am Austritt einer Düse oder hinter einem sich ausbreitenden Schallimpuls. Rarefaktionen sind damit ein zentrales Konzept zur Beschreibung von Schall, Strömungen und Wellenphänomenen in Medien.