Mechanische Schwingungen

Diese Lektion behandelt mechanische Schwingungen — von der idealen harmonischen Schwingung bis zur gedämpften und erzwungenen Schwingung. Grundlage ist die Bedingung für harmonische Bewegung: eine lineare, zur Auslenkung proportionale Rückstellkraft, die mathematisch zu einer sinusförmigen Bewegung führt. Am Federpendel wird die Abhängigkeit der Schwingungsdauer von Masse und Federkonstante untersucht — bei Vervierfachung der Masse verdoppelt sich die Schwingungsdauer, da T∝m gilt, während eine Verdopplung der Federkonstante die Eigenfrequenz nur um den Faktor 2 erhöht.

Beim Fadenpendel wird herausgearbeitet, dass die Schwingungsdauer bei kleiner Amplitude ausschließlich von der Pendellänge und der Erdbeschleunigung abhängt — nicht von der Masse oder der Amplitude selbst. Als Anwendung wird untersucht, wie sich die Schwingungsdauer auf dem Mond mit seiner geringeren Erdbeschleunigung verändert: Da T umgekehrt proportional zur Wurzel aus g ist, verlängert sich die Schwingungsdauer entsprechend.

Die gedämpfte Schwingung wird über die Differentialgleichung x¨+2δx˙+ω02x=0 eingeführt, wobei δ die Dämpfungskonstante beschreibt und die Einhüllende der Amplitude exponentiell abnimmt. Bei der erzwungenen Schwingung wird das charakteristische Phasenverhalten behandelt: Bei niedrigen Anregungsfrequenzen folgt das System dem Erreger nahezu phasengleich, bei hohen Frequenzen mit einer Verzögerung von 180°, und genau bei der Resonanzfrequenz beträgt die Phasenverschiebung 90° — ein Punkt, der häufig fälschlich mit einer Phasengleichheit bei Resonanz verwechselt wird.

Die zehn Fragen kombinieren die quantitative Anwendung der Schwingungsformeln mit einem präzisen Verständnis von Resonanz und Dämpfung — Grundlagen, die im Anschluss auf mechanische Wellen erweitert werden.

  • Die Bedingung für eine harmonische Schwingung (lineare Rückstellkraft) formulieren
  • Die Abhängigkeit der Schwingungsdauer eines Feder- und Fadenpendels von Masse, Federkonstante bzw. Länge und $g$ berechnen
  • Die Einhüllende einer gedämpften Schwingung als Exponentialfunktion beschreiben
  • Die Phasenverschiebung einer erzwungenen Schwingung bei niedriger, hoher und Resonanzfrequenz angeben
  • Die Auswirkung einer veränderten Erdbeschleunigung auf die Schwingungsdauer eines Pendels vorhersagen

Themenbereich: Mechanische Schwingungen — harmonische Schwingung, Feder- und Fadenpendel (Abhängigkeit von Masse, Federkonstante, Länge, g), gedämpfte Schwingung und Dämpfungskonstante, Resonanz und Phasenverschiebung bei erzwungener Schwingung. 10 Fragen, Rechen- und Konzeptaufgaben auf Abiturniveau.

Beispielfrage

Federpendel: eine waagerechte Feder an der Wand, ein Block auf dem Boden.

Ein Federpendel mit der Federkonstante $D$ und der Masse $m$ schwingt harmonisch. Wie verändert sich die Schwingungsdauer $T$, wenn die Masse vervierfacht wird?

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Sie verdoppelt sich.

Die Schwingungsdauer eines Federpendels ist gegeben durch $T = 2\pi \sqrt{\frac{m}{D}}$. Ersetzt man $m$ durch $4m$, ergibt sich $T' = 2\pi \sqrt{\frac{4m}{D}} = 2 \cdot 2\pi \sqrt{\frac{m}{D}} = 2T$.

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