Energiezufuhr und Energieabgabe bei Schwingungen
(Kursstufe > Mechanische Schwingungen)
Inhaltsverzeichnis
Beispiele
Schlägt man ein Xylophon an, so klingt der Ton langsam aus.
Die Base Drum ist meistens mit Stoff oder ähnlichem Material gedämpft.
Die Hinterradfederung dieses Mountainbikes hat einen Dämpfer.
Die Räder eines Autos sind gefedert und mit einem "Stoßdämpfer" versehen.
Wieso können Kinder im Alter von zwei Jahren meistens noch nicht schaukeln? (Video: Anregung einer Drehschwingung)
Zupft man bei einer Gitarre die hohe E-Saite, dann schwingen die tiefe A-Saite und die tiefe E-Saite mit.
Laut § 27 (6) StVO ist es in Deutschland verboten im Gleichschritt über eine Brücke zu marschieren.
Kann man mit seiner Stimme ein Weinglas zerstören? ( Video Jame Vendera
Diese Uhr bleibt nie stehen. (?) (Animation einer Ankerhemmung) (Video: Eine Graham-Hemmung)
Die Saiten der Geige kann man zupfen oder mit dem Bogen zum Klingen bringen.
Mit Weingläsern kann man Musik machen. (Bachs Preludium auf Weingläsern)
Beim Bremsen können diese Räder furchtbar quietschen! (Video: Dotted Lines)
Bei einer Flöte muss man nur hineinblasen, um einen Ton zu erzeugen. (Luftbewegung einer Orgelpfeife, Einschwingvorgang einer Orgelpfeife)
Wie sprechen und singen wir? (Stroboskopvideo der Stimmbänder) (Video: Vocal Cords up close while singing) (Video: Singing in the MRI)
Auch Ahorn kann wie Espenlaub zittern. (Video)
Die Tacoma-Narrows-Brücke in einem Sturm. (documentary: The Collapse of the Tacoma Narrows Bridge) (Farbfilm: Tacoma Narrows Bridge Collapse)
Erzwungene Schwingungen
Versuche
Zwei Stimmgabeln
- Aufbau
a) Man stellt zwei Stimmgabeln der gleichen Tonhöhe nebeneinander. Man schlägt nur die rechte Stimmgabel an und dämpft sie mit den Fingern wieder ab.
b) An der rechten Stimmgabel wird an verschiedenen Stellen einer Zinke eine Klammer ("Reiter") befestigt. Dann wiederholt man das Experiment.
- Beobachtung
a) Die angeschlage Stimmgabel verstummt sofort, wenn man die Finger auf die Zinken legt. Trotzdem ist noch ein Ton zu hören. Er stammt von der nicht angeschlagenen Stimmgabel. Legt man die Finger auf die linke Stimmgabel, so verstummt auch diese.
b) Je weiter oben man den Reiter an der rechten Stimmgabel befestigt, desto leiser wird der Ton der linken Stimmgabel.
- Folgerung
Die rechte schwingende Stimmgabel kann die linke Stimmgabel zum Schwingen anregen. Dies geht besonders gut, wenn die Anregungsfrequenz der rechten mit der Eigenfrequenz der linken Stimmgabel übereinstimmt. Durch den Reiter wird die schwingende Masse vergrößert, bei gleicher Rückstellkraft. Dadurch sinkt die Anregungsfrequenz und die linke Stimmgabel wird weniger stark angeregt.
Eine Schaukel im Modell
- Aufbau
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Ein 10kg-Gewicht wird an einem Haken aufgehängt. Mit einem kleinen Magnet ist eine Schnur an dem Gewicht befestigt. Zieht man zu fest, so lößt sich die Verbindung! Schafft man es das Gewicht in Schwingungen zu versetzen?
Man muss in dem vom Pendel vorgegeben Rythmus ziehen. Immer wenn das Pendel am entfernten Umkehrpunkt ist und auf einen zu schwingt, fängt man an zu Ziehen. Erreicht das Pendel den nahe liegenden Umkehrpunkt muss man aufhören zu Ziehen.
Um auf eine Schwingung Energie zu übertragen muss man die Phase der Schwingung beachten und in den richtigen Momenten Ziehen (oder Drücken). |
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Große und kleine Schaukeln im Modell
An einer drehbaren Achse sind Fadenpendel verschiedener Längen[1] befestigt. Die Achse kann man über eine Stange bewegen und so alle Aufhängepunkte der Pendel in der gleichen Weise bewegen. Dann versucht man bestimmte Pendel zum Schwingen zu bringen.
Das "Anschubsen" eines bestimmten Pendels klappt gut, wenn man sich auf die Bewegung eines Pendels konzentriert. Immer wenn es nach vorne schwingt unterstützt man diese Bewegung durch entsprechendes Kippen der Achse, ebenso beim Zurückschwingen. Durch die Art des "Anschubsens" kann man es erreichen, dass immer nur ein Pendel schwingt, die anderen wackeln nur leicht hin und her.
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Ein Zungenfrequenzmesser
- Aufbau / Beobachtung
Aufbau
Beobachtung
Erzwungene Schwingung eines Federpendels
- Aufbau
- Beobachtung
- Applet: zur Resonanz mit Reibung
Ein Ast wird zum Schwingen gebracht
- Aufbau
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Man hält einen Ast mit verschiedenen Zweigen und Blättern in der Hand und "wackelt" schneller oder langsamer. Dann spannt man den Ast in eine Tischklemme und überläßt das "Wackeln" einem Elektromotor. Durch die Umdrehungszahl des Motors kann man verschiedene Anregungsfrequenzen einstellen.
Im Gegensatz zu einem einfachen Pendel kann der Ast kann auf verschiedene Arten schwingen. Man sagt, der Ast hat verschiedene Eigenschwingungen oder auch Schwingungsmoden. Bei einer durch den Motor vorgegebenen Frequenz nimmt diejenige Eigenschwingung am meisten Energie auf, welche die passende Eigenfrequenz hat. |
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Der Wackeltisch
Fußnoten
- ↑ Die Längen sind so gewählt, dass die Eigenfrequenzen gleichmäßig ansteigen. Wegen [math]\omega^2=\frac{g}{l}[/math] nehmen die Längen der Pendel nicht linear zu!
Übersicht
Je nach der Art der Energiezufuhr oder des Verlustes kann man Schwingungen in verschiedene Kategorien einteilen:
Energieabgabe
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Energiezufuhr
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Links
- Applet: Applet zur Resonanz mit Reibung
- Video: Kann man ein Weinglas mit der Stimme zum Zerspringen bringen? (WDR Kopfball vom 8.9.13)
- Video: Ein Mensch "zersingt" ein Glass (Youtube: A MythBuster's Glass Shattering Montage)
- Video: WDR PlanetSchule: Stimmprobe (Mit der Stimme ein Glas zersingen.)
- Video: Resonan Bridge - many harmonics (youtube: "Bob Barrett")
- Artikel: Die Problematik der winderregten Schwingungen an Brückenhängern in Theorie und Praxis (Karsten Geißler und Matthias Mager , 2010 ; in: Berichte aus dem Konstruktiven Ingenieurbau, Heft 10/6 ; online bei der GmG Ingenieurgesellschaft)
- Video: Zur Physik des Turnens mit Schwüngen Anregung einer Drehschwingung durch rythmische Änderung des Trägheitsmomentes, Physikalische Experimente nach Robert Wichard Pohl (1884 - 1976), IWF (Göttingen) 2002, CC 03; TIB AV-Portal
