Grundlagen mechanischer Schwingungen
Eine mechanische Schwingung ist eine zeitlich periodische Bewegung eines Körpers um seine Ruhelage. Du siehst sie täglich: beim Schaukeln, bei Musikinstrumenten oder bei einem schwingenden Pendel. Sie ist eine der grundlegendsten Bewegungsformen in der Physik.
Um eine Schwingung zu erzeugen, gibt es drei Voraussetzungen: Erstens braucht man einen schwingungsfähigen, trägen Körper. Zweitens muss Energie zugeführt werden, um den Körper aus seiner Ruhelage auszulenken. Und drittens müssen rücktreibende Kräfte vorhanden sein, die den Körper wieder zur Ruhelage zurückbringen.
Die wichtigsten Kenngrößen einer Schwingung sind:
- Die Amplitude (y_max): der maximale Abstand von der Ruhelage [m]
- Die Elongation: der Abstand von der Ruhelage zu einem beliebigen Zeitpunkt [m]
- Die Schwingungsdauer (T): die Zeit für eine vollständige Schwingung [s]
- Die Frequenz (f): Anzahl der Schwingungen pro Sekunde [Hz], berechnet mit f = 1/T
💡 Merkhilfe: Bei einer Schaukel entspricht die Amplitude, wie weit du maximal nach vorne oder hinten kommst. Die Schwingungsdauer ist die Zeit, die du für einen kompletten Hin- und Herschwung brauchst.
Es gibt zwei Hauptarten von Schwingungen: Bei ungedämpften Schwingungen bleibt die Amplitude konstant und die Summe aus kinetischer und potentieller Energie ist konstant. Im Gegensatz dazu nimmt bei gedämpften Schwingungen die Amplitude mit der Zeit ab, da Energie in thermische Energie umgewandelt wird.
Für ein Fadenpendel gilt die Formel T = 2π√(l/g), wobei l die Länge des Pendels und g die Fallbeschleunigung ist. Bei einer Federschwingung lautet die Formel T = 2π√(m/D), wobei m die Masse und D die Federkonstante ist.