Grundbegriffe und Beispiele von Schwingungen: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 8. November 2010, 15:49 Uhr

Einteilung nach dem Energiefluss

Je nach der Art der Energiezufuhr oder des Verlustes kann man Schwingungen in verschiedene Kategorien einteilen:

gedämpfte Schwingungen

verlieren Energie an die Umgebung, dabei nimmt die Amplitude ab.

ungedämpfte Schwingungen

sind nicht gedämpft, also ohne Energieverlust. Da es eine reibungslose Bewegung in der Regel nicht gibt, kann das nur durch ständige Energiezufuhr erreicht werden.

erzwungene Schwingungen

Hier wird eine Schwingung periodisch angeregt und so auch die Frequenz der Schwingung festgelegt. Je nachdem wie gut die Anregungsfrequenz "paßt", nimmt die Schwingung mehr oder weniger Energie auf.

Beispiele sind Vibrationen beim Auto, die bei bestimmten Geschwindigkeiten auftreten.

angeregte Schwingungen

In diesen Fällen wird der Dämpfung einer Schwingung durch Energiezufuhr entgegengewirkt. Die Energiezufuhr wird von Außen so gesteuert, dass die Frequenz der Schwingung nur von dem schwingenden System selbst abhängt.

Beispiele sind alle Uhrwerke bei mechanischen Pendeluhren, bei Quarz- oder Atomuhren.

selbsterregte Schwingungen

So bezeichnet man angeregte Schwingungen, bei denen die Steuerung der Energiezufuhr durch das vorgegebene System selbst geschieht.

Beispiele sind die Selbsterregung von im Wind wackelnden Blättern ("Espenlaub") oder das Streichen einer Violinsaite mit dem Bogen.

Beispiele

• Einordnung von "natürlichen" Schwingungen in diese Kategorien

Begriffe

• Amplitude
• Elongation
• Ruhelage
• Periodendauer
• Frequenz
• Rückstellkraft

Lernzirkel: Schwingungen in Natur und Technik oder Wie Gegenstände schwingen und wie man sie dazu bekommt

Bei allen Versuchen sind zwei Fragestellungen im Vordergrund:

• Wie schwingt der Gegenstand? Also wie bewegt er sich.
• Wie bekommt man den Gegenstand dazu sich so zu bewegen? Das heißt physikalisch, wie führe ich die Energie zu?

Diese beiden Fragestellungen sollen auch bei allen Versuchen schriftlich beantwortet werden. Bei einigen genügt eine knappe Antwort, bei anderen sind evt. Zeichnungen hilfreich. Einige Versuche gehen auch über die Beantwortung dieser beiden Fragen hinaus.

Eine lineare Schwingung

Wagen an Feder

• Machen Sie sich hier an diesem einfachen und daher wichtigen Beispiel nocheinmal die Grundbegriffe einer linearen Schwingung klar.

Eine Drehschwingung

• Vergleichen Sie diese Schwingung mit dem schwingenden Wagen.

Stellen Sie Parallelen und Unterschiede auf.

Finden Sie weitere ähnliche Schwingungen?

Cladnische Figuren

Streuen Sie etwas Sand auf die Platte und schalten Sie den Frequenzgenerator an. Sie können die Amplitude und die Frequenz der Anregung verändern.

• Warum bleibt der Sand an manchen Stellen liegen?

Ein Lineal / eine Feder schwingen

Versuchen Sie, das Lineal oder die Feder zum Schwingen zu bringen. Was muss man beachten, damit es gut funktioniert? Welche verschiedenen Schwingungen können Sie erzeugen?

Ein Xylophon

• Wie sind die Holzstäbe des Xylofons befestigt?
• Halten Sie das Alurohr an einer oder an zwei Stellen fest und probieren aus, wie oder ob es klingt.
• Wo können Sie das Rohr festhalten und wo nicht?

Ein Glöckchen

Berühren Sie unterschiedliche Stellen der Glocke mit einem Finger und klingeln.

Gitarre und Geige

Wie unterscheiden sich die Instrumente in der Art der Energiezuführung?

Warum eine Flöte / Orgelpfeife klingt

Schauen Sie sich die Videos mit dem sichtbar gemachten Luftstrom einer Orgelpfeife an. Beschreiben Sie die Inhalte kurz.

• Versuchen Sie nun zu erklären warum eine Orgelpfeife, kurz nachdem man die Taste an der Klaviatur drückt, einen Ton produziert.

Ein Weinglas tönt

Streichen Sie mit einem nassen Finger am Glasrand entlang.

Eine Uhr bauen

Bauen Sie die Uhr gemäß der Anleitung zusammen. Beschreiben Sie die Funktionsweise der Uhr. Dabei sind folgende Begriffe interessant: Pendel, Energiezufuhr, Zahnrad, Untersetzung

Eine Kinderschaukel richtig anschubsen

mit Handversuch: Fadenpendel anschubsen oder ein dickes Pendel mit Magnetfaden

Motor läßt Kotflügel wackeln

Lassen Sie den Motor zunächst langsam und dann immer schneller laufen und beobachten Sie dabei genau das Auto.

Zittern wie Espenlaub

Datei:Blätter.ogg Schauen Sie sich das Video der wackelnden lätter an. Was fällt Ihnen auf?

Versuchen Sie die Blätter des Astes mit dem Ventilator zum schwingen zu bringen. Variieren Sie dabei die Stärke und Richtung des Luftstroms.

Eine Brücke stürzt ein

Sehen Sie sich die Videos zur Tacoma-Narrow-Bridge an.

• Englische Reportage über Bau und Zerstörung der Brücke
• Farbvideo der Tacoma-Narrow-Bridge

Resonanzkatastrophe

Motor regt Federpendel an (evt erst später und dann genauer)

Links

• Pendeluhrbausatz wird von dem blog taponet.de beschrieben
• Forschung und Erläuterungen der Orgel von Reiner Janke
  • Strömungsforschung an klingenden Pfeifen
  • Luftblatt einer offenen Pfeife als Animationsfilm
  • Luftblatt einer gedeckten Pfeife als Animationsfilm
  • Einschwingvorgang einer gedeckten Pfeife als Animation
  • Geschwindigkeitsprofil einer gedeckten Pfeife als animierte Grafik
• Wikipedia: Tacoma Bridge mit einem Video der schwingenden Brücke
  • Farbvideo der Tacoma-Narrow-Bridge
  • Englische Reportage über Bau und Zerstörung der Brücke

• Wikipedia: Schwingungsmoden von Stäben, Flächen auch mit Animationen
• Wikipedia: Biegeschwinger zeigt Schwingungen von Stäben