Grundwissen Show Das Wichtigste auf einen Blick
Aufgaben Aufgaben Eine wichtige Sonderform der Schwingung ist die harmonischen Schwingung. Die harmonische Schwingung, die manchmal etwas salopp auch als Sinusschwingung bezeichnet wird, verläuft nicht nur periodisch und besitzt eine eindeutige Gleichgewichtslage, sondern erfüllt noch eine weitere Bedingung: Eine Schwingung heißt harmonische Schwingung, wenn sie eine der folgenden Bedingungen erfüllt. Bedingung ADie Bewegung des schwingenden Körpers stimmt mit der Projektion einer gleichförmigen Kreisbewegung überein und kann deshalb durch eine Sinus- oder Kosinusfunktion, z.B. \(y(t) = \hat y \cdot \sin \left( {\omega \cdot t} \right)\) oder \(y(t) = \hat y \cdot \cos \left( {\omega \cdot t} \right)\) beschrieben werden. HTML5-Canvas nicht unterstützt! Abb. 1 Harmonische Schwingung, ihre Projektion auf eine gleichförmige Kreisbewegung und der Graph der beschreibenden SinusfunktionBedingung BDie rücktreibende Kraft auf den schwingenden Körper ist entgegengesetzt gerichtet und betraglich proportional zur Auslenkung des Körpers aus der Ruhelage, kurz \({{ F}_{{\rm{rück}}}} = - k \cdot y\). Wir sprechen dabei vom sogenannten linearen Kraftgesetz. HTML5-Canvas nicht unterstützt! Abb. 2 Harmonische Schwingung und die zur Auslenkung entgegengesetzt gerichtete und betraglich proportionale rücktreibende KraftErfüllt eine Schwingung eine dieser beiden Bedingungen, so erfüllt sie immer auch die andere. Typische BeispieleHarmonische Schwingungen werden (zumindest bei kleinen Auslenkungen) von einem Federpendel, einem Feder-Schwere-Pendel oder einem Fadenpendel ausgeführt. Exaktere Überlegungen hierzu findest du in den entsprechenden Artikeln. Die Projektion einer Kreisbewegung wird durch eine Sinus- oder Cosinusfunktion beschrieben
Joachim Herz Stiftung Abb. 3 Skizze zur Herleitung von Gleichung \((1)\)Wer sich mit trigonometrischen Funktionen auskennt erkennt in Abb. 1 schnell, dass es sich bei dem Graphen wahrscheinlich um den Graph einer Sinusfunktion handelt. Dass dies wirklich so ist, kann man mit Hilfe der Mathematik leicht zeigen. In Abb. 3 siehst du eine Momentaufnahme der Animation in Abb. 1. Du kannst ein rechtwinkliges Dreieck erkennen, mit dem wir arbeiten:
Nun bildet der Radius die Hypotenuse des rechtwinkligen Dreiecks und die Projektion \(y(t)\) die Gegenkathete zum Winkel der Weite \(\omega \cdot t\). Dann liefert der Sinussatzes im rechtwinkligen Dreieck\[\sin\left(\omega \cdot t\right)=\frac{y\left(t\right)}{\hat y}\]Lösen wir diese Gleichung nach \(y\left(t\right)\) auf, so erhalten wir\[y\left(t\right) = \hat y \cdot \sin \left( {\omega \cdot t} \right) \quad(1)\] Beweis von A \(\Rightarrow\) BWir zeigen, dass aus der Eigenschaft einer harmonischen Schwingung als Projektion einer Kreisbewegung die Eigenschaft des linearen Kraftgesetzes folgt, d.h. wir zeigen\[y(t) = \hat y \cdot \sin \left( {\omega \cdot t} \right) \Rightarrow F_{\rm{rück}} =-k \cdot y\]Wir beginnen mit dem 2. NEWTONschen Gesetz, der Grundgleichung der Mechanik\[F=m \cdot a\]Dabei ist bekanntlich
Wir zeigen nun, dass für diese Gesamtkraft - hier die rücktreibende Kraft auf den schwingenden Körper - gilt \(F=-k \cdot y\). Bekanntlich ist die Beschleunigung \(a=a\left(t\right)\) die zweite Ableitung der Position \(y=y\left(t\right)\). Mit\[y(t) = \hat y \cdot \sin \left( {\omega \cdot t} \right) \quad (1)\]erhalten wir mit der Ableitungsregel für die Sinusfunktion und der Kettenregel\[v(t) = \dot y(t) = \omega \cdot \hat y \cdot \cos \left( {\omega \cdot t} \right)\]und mit der Ableitungsregel für die Cosinusfunktion und wiederum der Kettenregel\[a(t) = \dot v(t) = - {\omega ^2} \cdot \hat y \cdot \sin \left( {\omega \cdot t} \right) \quad(2)\]Setzen wir dies in die Grundgleichung der Mechanik ein, so erhalten wir\[\begin{eqnarray}F &=& m \cdot a\\ &\underbrace{=}_{(2)}& m \cdot \left( { - {\omega ^2} \cdot \hat y \cdot \sin \left( {\omega \cdot t} \right)} \right)\\ &=& - \underbrace {m \cdot {\omega ^2}}_{\; = :\;k} \cdot \underbrace {\hat y \cdot \sin \left( {\omega \cdot t} \right)}_{\;\mathop = \limits_{(1)} \;y\left( t \right)}\\ &=& - k \cdot y\end{eqnarray}\] Beweis von B \(\Rightarrow\) AWir zeigen, dass aus der Eigenschaft des linearen Kraftgesetzes einer harmonischen Schwingung die Eigenschaft folgt, dass die Schwingung die Projektion einer gleichförmigen Kreisbewegung ist, d.h. wir zeigen\[F_{\rm{rück}} =-k \cdot y \Rightarrow y(t) = \hat y \cdot \sin \left( {\omega \cdot t} \right)\]Wir beginnen wieder mit dem 2. NEWTONschen Gesetz, der Grundgleichung der Mechanik\[F=m \cdot a\]Dabei ist bekanntlich
Aus der Voraussetzung des linearen Kraftgesetzes folgt zuerst einmal\[F=F_{\rm{rück}} =-k \cdot y \quad (1)\]Weiter ist bekanntlich ist die Beschleunigung \(a=a\left(t\right)\) die zweite Ableitung der Position \(y=y\left(t\right)\) nach der Zeit, d.h. es gilt\[a=\ddot y \quad(2)\]Setzen wir \((1)\) und \((2)\) in die Grundgleichung der Mechanik ein, so erhalten wir\[\begin{eqnarray}F &=& m \cdot a\\ - k \cdot y &=& m \cdot \ddot y\end{eqnarray}\]Zuerst vertauschen wir die beiden Seiten der Gleichung und dividieren beide Seiten der Gleichung durch die Masse \(m\). Dann bedenken wir, dass \(y=y(t)\) eine Funktion der Zeit ist, die als Zeit-Ort-Funktion die harmonische Schwingung beschreibt. Wir erhalten\[\ddot y(t) = -\frac{k}{m} \cdot y(t) \quad (*)\]Diese Gleichung fordert uns nun dazu auf, eine Funktion \(y(t)\) zu finden, deren zweite Ableitung \(\ddot y(t)\) entgegengesetzt und proportional zu \(y(t)\) ist. Aus der Differentialrechnung wissen wir, dass die zweite Ableitung der Sinusfunktion die "Minus-Sinusfunktion" ist. So findet man leicht, dass z.B. die Zeit-Orts-Funktion \(y(t) = \hat y \cdot \sin \left( {\sqrt {\frac{k}{m}} \cdot t} \right)\) eine Lösung der Gleichung \((*)\) ist: Setzt man nämlich \(y(t)\) und \(\ddot y(t) = - \frac{k}{m} \cdot \hat y \cdot \sin \left( {\sqrt {\frac{k}{m}} \cdot t} \right)\) in Gleichung \((*)\) ein, so erhält man\[ - \frac{k}{m} \cdot \hat y \cdot \sin \left( {\sqrt {\frac{k}{m}} \cdot t} \right) = - \frac{k}{m} \cdot \hat y \cdot \sin \left( {\sqrt {\frac{k}{m}} \cdot t} \right)\]eine stets wahre Aussage. Somit ist \(y(t) = \hat y \cdot \sin \left( {\sqrt {\frac{k}{m}} \cdot t} \right)\) eine Lösung der Gleichung \((*)\) und damit eine Zeit-Orts-Funktion des schwingenden Körpers. Bemerkungen
Aus diesen Überlegungen sieht man auch, dass es zwischen der Konstanten \(k\), der Masse \(m\) und der Kreisfrequenz \(\omega\) einen Zusammenhang gibt. Für die Konstante \(k\) aus dem Linearen Kraftgesetz, der Masse \(m\) des harmonisch schwingenden Körpers und der Kreisfrequenz \(\omega\) der Schwingung\[\omega = \sqrt {\frac{k}{m}} \]und wegen \(\omega = \frac{{2 \, \pi }}{T}\)\[T = 2 \, \pi \cdot \sqrt {\frac{m}{k}} \]sowie wegen \(\omega = 2 \, \pi \cdot f\)\[f = \frac{1}{{2 \, \pi }} \cdot \sqrt {\frac{k}{m}} \] ZusammenfassungIn der Animation in Abb. 4 sind noch einmal alle Ergebnisse dieses Artikels graphisch zusammengefasst. HTML5-Canvas nicht unterstützt! Abb. 4 Harmonische Schwingung, die der Auslenkung entgegengesetzt gerichtete und betraglich proportionale Rückstellkraft, die Projektion der Schwingung auf eine gleichförmige Kreisbewegung und der Graph der beschreibenden SinusfunktionAufgabenHarmonische SchwingungenQuizÜbungsaufgabenWie berechnet man die Schwingung?Die Schwingungsdauer berechnet sich durch T = 2 π ⋅ l g ; sie ist insbesondere unabhängig von der Amplitude x ^ der Schwingung und der Masse m des Pendelkörpers.
Was beschreibt eine Schwingung?Eine Schwingung ist ein physikalischer Vorgang, der durch die zeitlich periodische Änderung einer physikalischen Größe beschrieben werden kann. Eine Schwingung entsteht, wenn einem schwingungsfähigen System Energie zugeführt wird.
Was gibt die schwingungsdauer an?Die Zeit für einen Schwingungsvorgang wird Schwingungsdauer genannt. Es ist somit die Zeit, die ein schwingender Körper für eine Hin- und Her-Bewegung benötigt. Meistens wird sie mit dem Formelzeichen T symbolisiert und hat die Einheit Sekunde.
Wie berechnet man die Auslenkung einer Schwingung?Bei einer harmonischen Schwingung ist die rücktreibende Kraft proportional zur Auslenkung.. y(t) = ymax · sin wt.. y(t) = ymax · sin( · t). y(t) = ymax · sin2 ft.. |