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Mechanische und Harmonische Schwingungen: Beispiele, Formeln und Aufgaben

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Mechanische und Harmonische Schwingungen: Beispiele, Formeln und Aufgaben

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Mechanische Schwingungen sind periodische Bewegungen eines Körpers oder Teilchens um eine Gleichgewichtslage. Diese Zusammenfassung erklärt die grundlegenden Konzepte, Formeln und Beispiele von Schwingungen in der Physik.

• Harmonische Schwingungen sind die einfachste Form von Schwingungen mit sinusförmigem Verlauf
• Wichtige Kenngrößen einer Schwingung sind Amplitude, Frequenz und Periodendauer
• Federpendel und Fadenpendel sind typische Beispiele für mechanische Schwingungen
• Die Schwingungsgleichung beschreibt die Auslenkung in Abhängigkeit von der Zeit
• Rücktreibende Kräfte und Energieumwandlungen spielen eine zentrale Rolle bei Schwingungsvorgängen

23.1.2021

2733

Physik Test Lernzettel: Schwingungen
Def. Eine Schwingung ist die zeitlich periodische Anderuing physikalische
Größen-
Voraussetzungen:
F
GG

Mathematische Beschreibung von Schwingungen

Diese Seite behandelt die mathematische Beschreibung von harmonischen Schwingungen und deren Zusammenhang mit der Kreisbewegung. Die Auslenkung y(t) einer harmonischen Schwingung lässt sich durch eine Sinusfunktion beschreiben:

Example: y(t) = y_max · sin(ωt)

Dabei ist y_max die Amplitude der Schwingung und ω die Kreisfrequenz.

Die Ableitungen dieser Funktion ergeben Geschwindigkeit und Beschleunigung:

v(t) = y_max · ω · cos(ωt) a(t) = -y_max · ω² · sin(ωt)

Highlight: Die maximale Beschleunigung einer harmonischen Schwingung beträgt a_max = ω² · y_max.

Für Federschwinger und Fadenpendel werden spezifische Formeln für die Periodendauer angegeben:

Formula: Federpendel: T = 2π · √(m/D) Formula: Fadenpendel: T = 2π · √(l/g)

Dabei ist m die Masse, D die Federkonstante, l die Pendellänge und g die Erdbeschleunigung.

Example: Ein Federpendel mit m = 200g und einer Auslenkung von 9cm hat eine Periodendauer von T = 0,49s.

Diese mathematischen Beschreibungen sind grundlegend für die Analyse und Berechnung von Schwingungen in der Physik.

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Grundlagen der Schwingungen

Diese Seite führt in die grundlegenden Konzepte der mechanischen Schwingungen ein. Eine Schwingung wird definiert als die zeitlich periodische Änderung physikalischer Größen. Voraussetzungen für eine Schwingung sind ein schwingender Körper (Oszillator), eine Energiezufuhr und eine rücktreibende Kraft zur Gleichgewichtslage.

Der typische Ablauf einer Schwingung wird beschrieben: Auslenkung aus der Ruhelage, Umkehrpunkt durch rücktreibende Kraft, Überqueren der Gleichgewichtslage aufgrund der Trägheit und erneute Auslenkung in die Gegenrichtung.

Wichtige Kenngrößen werden eingeführt:

Vocabulary: Die Elongation y(t) bezeichnet den Abstand des Oszillators zur Gleichgewichtslage zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Definition: Die Amplitude ist der maximale Abstand des Oszillators zur Gleichgewichtslage.

Vocabulary: Die Frequenz f gibt die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit an.

Definition: Die Periodendauer T ist die Zeit für eine vollständige Schwingung.

Highlight: Es gilt der wichtige Zusammenhang f = 1/T zwischen Frequenz und Periodendauer.

Diese Grundbegriffe sind essentiell für das Verständnis von harmonischen Schwingungen und deren mathematische Beschreibung.

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Arten von Schwingungen und Zusammenfassung

Diese Seite klassifiziert verschiedene Arten von Schwingungen und fasst wichtige Konzepte zusammen. Es wird zwischen harmonischen und nicht-harmonischen sowie gedämpften und ungedämpften Schwingungen unterschieden.

Definition: Harmonische Schwingungen zeichnen sich durch eine konstante Amplitude und einen sinusförmigen Verlauf aus.

Die rücktreibende Kraft bei harmonischen Schwingungen ist proportional zur Auslenkung:

Formula: F = -D · y (Hookesches Gesetz)

Für Federschwinger und Fadenpendel werden die Formeln für die rücktreibende Kraft und die Periodendauer wiederholt.

Example: Parallele Federschaltung: D_ges = D₁ + D₂, T = 2π · √(m / (D₁ + D₂))

Highlight: Die Periodendauer eines Fadenpendels hängt nur von der Pendellänge und der Erdbeschleunigung ab, nicht von der Masse oder Amplitude.

Abschließend werden die Konzepte der Energieumwandlung bei Federpendeln und die Berechnung der Federkonstante angesprochen. Diese Zusammenfassung bietet einen umfassenden Überblick über die wichtigsten Aspekte der mechanischen Schwingungen und ihrer mathematischen Beschreibung.

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Mathematische Beschreibung von Schwingungen

Example: y(t) = y_max · sin(ωt)

Dabei ist y_max die Amplitude der Schwingung und ω die Kreisfrequenz.

Die Ableitungen dieser Funktion ergeben Geschwindigkeit und Beschleunigung:

v(t) = y_max · ω · cos(ωt) a(t) = -y_max · ω² · sin(ωt)

Highlight: Die maximale Beschleunigung einer harmonischen Schwingung beträgt a_max = ω² · y_max.

Für Federschwinger und Fadenpendel werden spezifische Formeln für die Periodendauer angegeben:

Formula: Federpendel: T = 2π · √(m/D) Formula: Fadenpendel: T = 2π · √(l/g)

Dabei ist m die Masse, D die Federkonstante, l die Pendellänge und g die Erdbeschleunigung.

Example: Ein Federpendel mit m = 200g und einer Auslenkung von 9cm hat eine Periodendauer von T = 0,49s.

Diese mathematischen Beschreibungen sind grundlegend für die Analyse und Berechnung von Schwingungen in der Physik.

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Grundlagen der Schwingungen

Wichtige Kenngrößen werden eingeführt:

Vocabulary: Die Elongation y(t) bezeichnet den Abstand des Oszillators zur Gleichgewichtslage zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Definition: Die Amplitude ist der maximale Abstand des Oszillators zur Gleichgewichtslage.

Vocabulary: Die Frequenz f gibt die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit an.

Definition: Die Periodendauer T ist die Zeit für eine vollständige Schwingung.

Highlight: Es gilt der wichtige Zusammenhang f = 1/T zwischen Frequenz und Periodendauer.

Diese Grundbegriffe sind essentiell für das Verständnis von harmonischen Schwingungen und deren mathematische Beschreibung.

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Arten von Schwingungen und Zusammenfassung

Definition: Harmonische Schwingungen zeichnen sich durch eine konstante Amplitude und einen sinusförmigen Verlauf aus.

Die rücktreibende Kraft bei harmonischen Schwingungen ist proportional zur Auslenkung:

Formula: F = -D · y (Hookesches Gesetz)

Für Federschwinger und Fadenpendel werden die Formeln für die rücktreibende Kraft und die Periodendauer wiederholt.

Example: Parallele Federschaltung: D_ges = D₁ + D₂, T = 2π · √(m / (D₁ + D₂))

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