Gedämpfte Schwingungen
(Kursstufe > Mechanische Schwingungen)
Inhaltsverzeichnis
Merkmale einer gedämpften Schwingung
Beispiele
Versuch: Schwingende Stange
Aufbau
Beobachtung
Messwerte:
Versuch: Wassergedämpftes Federpendel
Aufbau
Beobachtung
Theoretischer Hintergrund
Bei Gleitreibung
Die Amplitude nimmt linear ab, die Frequenz ändert sich nicht.
- [math]F_{R}=const.[/math]
- DGL: [math]m\ddot y=-Dy\pm F_R[/math]
Bei einem Strömungswiderstand und "kleiner" Geschwindigkeit
Laminare Strömung ohne Wirbel
- [math]F_{R}[/math][math]\sim v[/math]
Amplitude nimmt exponentiell ab
- DGL: [math]m\ddot y=-Dy-r\dot y[/math] ([math]r[/math]: Reibungskoeffizient)
- [math]\ddot y=-{D\over m}y-{r\over m}\dot y[/math]
Schwingfall
- [math]\quad \mathrm{k^2} \, \lt \, \omega_0^2 \quad \Leftrightarrow \quad r^2 \, \lt \, 4 \mathrm{D m}[/math]
- [math]y(\, t)=\hat y_o e^{-kt}\sin (\omega t + \varphi)[/math] ([math]k[/math]: Dämpfungskoeffizient)
- [math]k={r\over{2m}}[/math] [math]\omega^2={\omega_o}^2-k^2[/math]
aperiodischer Grenzfall
- [math]\quad \mathrm{k^2} \, = \, \omega_0^2 \quad \Leftrightarrow \quad r^2 \, = \, 4 \mathrm{D m}[/math]
Kriechfall
- [math]\quad \mathrm{k^2} \, \gt \, \omega_0^2 \quad \Leftrightarrow \quad r^2 \, \gt \, 4 \mathrm{D m}[/math]
- [math]\mathrm{ y(t) = \hat y_0 \quad e^{-K t} }\quad[/math] mit [math]\quad\mathrm{K = k-sqrt{k^2 - \omega_0^2}}[/math]
Bei einem Strömungswiderstand und "großer" Geschwindigkeit
Strömung mit Wirbelbildung
- [math]F_{R}\sim v^2[/math]
- DGL: [math]m\ddot y=-Dy-r\dot y^2[/math] [math]\Rightarrow[/math]ist nicht exakt lösbar! (nur näherungsweise mit Computer)
Aufgaben
1. Was muss man bedenken, wenn man die Dämpfung einer LKW-Feder plant?Da der LKW schwere Last transportieren muss, braucht er eine gewisse Schwingung.Unbeladen schaukelt er dann zwar stark, aber mit Last wäre er sonst eine Gefährdung.
2. Die Dämpfung bei einem Auto ist unsymmetrisch. Sie ist beim Zusammendrücken stärker, als beim Auseinanderziehen. Warum ist es so?Da die Straße nicht immer eben ist, muss durch eine Dämpfung ein Ausgleich geschaffen werden. Sie ist daher asymmetrisch, weil z.B. bei einem Schlagloch der Ausgleich nur auf einer Seite sein muss.
