Lernzirkel: Schwingungen in Natur und Technik

Oder: Wie Gegenstände schwingen und wie man sie dazu bekommt

Bei allen Versuchen stehen zwei Fragestellungen im Vordergrund:

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

Die verschiedenen Arten der Energiezufuhr kann man sich hier ansehen.

Diese beiden Fragestellungen sollen 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.

(1) Eine lineare Schwingung

Ein Wagen ist horizontal über eine Feder mit dem Tisch verbunden.

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

(2) Eine Drehschwingung

• Vergleichen Sie diese Schwingung mit dem schwingenden Wagen.

Stellen Sie Parallelen und Unterschiede auf.

• Kennen Sie weitere ähnliche Drehschwingungen?

(3) Cladnische Figuren

Hier wird die Schwingung einer quadratischen Platte untersucht. Dabei muss man sehr sorgfältig vorgehen, dann gibt es auch schöne Sachen zu sehen!

• Regen Sie die Platte zunächst an verschiedenen Stellen mit dem Klöppel an und hören Sie sich die verschiedenen Töne genau an.
• Streuen Sie etwas Sand auf die Platte und wiederholen die Anregung an verschiedenen Stellen. (Die Platte sollten Sie so justieren, dass sie waagrecht ist und der Sand nicht von der Platte runterrutscht.)

Warum bleibt der Sand an manchen Stellen liegen?

• Nun soll die Anregung mit einer vorgegeben Frequenz erfolgen. Mit Hilfe des Frequenzgenerators wird ein Stift in Schwingungen versetzt, der wiederum die Platte zum Schwingen bringt.

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

Bewährt hat sich folgendes Vorgehen:

• Zunächst wählen Sie eine Stelle, an der Sie anregen möchten. Dann schrauben Sie den bereits schwingenden Stift nach oben zur Platte, bis er schön regelmäßig dagegenklopft.
• Dann regeln Sie die Frequenz ab ca. 10 Hz langsam nach oben. Mit Hilfe der Kursortasten kann man die unterstrichene und veränderbare Ziffer einstellen. Wählen Sie die zweite Stelle nach dem Komma, also die Hundertstel Hertz.
• Zeichnen Sie die entstandenen Bilder (Sand und Anregungsstelle) und schreiben die passende Anregungsfrequenz auf.

(Sagen Sie bei schönen Figuren Bescheid, dann mache ich ein Foto!)

(4) Ein Lineal / eine Feder schwingen

• Halten Sie das Lineal oder die Feder an beiden Enden fest. Versuchen Sie, das Lineal oder die Feder zum Schwingen zu bringen.
• Welche verschiedenen Schwingungen können Sie erzeugen?
• Wie unterscheidet sich bei den verschiedenen Schwingungen ihre Anregung?

(5) Ein Xylophon

• Wie sind die Holzstäbe des Xylofons befestigt?
• Halten Sie das Alurohr an einer oder an zwei Stellen fest und probieren aus, wie es klingt, wenn Sie es an verschiedenen Stellen anregen.

Schreiben oder Zeichnen Sie Ihre Beobachtungen auf.

(6) Ein Glöckchen

• Berühren Sie unterschiedliche Stellen der Glocke mit einem Finger und klingeln.
• Als modellhafter Erklärungsversuch kann man eine Platte anstatt der Glocke nehmen.

Halten Sie die runde Metallplatte an der Befestigung in der Mitte fest. Wie klingt die Platte, wenn Sie mit dem Klöppel an unterschiedlichen Stellen draufklopfen?

• Streuen Sie dann Sand auf die Platte und probieren wieder unterschiedliche Stellen zum Anregen aus.

(7) Gitarre, Geige und Weinglas

• Erzeugen Sie einige Töne mit der Gitarre und dem Weinglas. (Mit einem nassen Finger am Rand entlangstreichen.)

Anstatt einer Geige muss das Weinglas als Vergleich herhalten. Warum sind die Geige und Weinglas in der Art der Tonerzeugung ähnlich?

• Versuchen Sie bei der Gitarre einige Flageolettöne zu erzeugen.

Dazu legt man den Finger auf die Saite und nimmt ihn im Moment des Zupfens schnell wieder weg. Es entsteht ein reiner, leiser Ton.

• Wo muss man dazu den Finger auf die Seite legen und wo zupfen?

(Wikibooks: Gitarre stimmen mit Flageolett)

(8) Warum eine Flöte / Orgelpfeife klingt

• Schauen Sie sich die Videos mit dem sichtbar gemachten Luftstrom einer Orgelpfeife an und beschreiben Sie kurz die Inhalte.
• Strömungsforschung an einer Pfeifenorgel (von Reiner Janke)
  • 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
• Versuchen Sie nun zu erklären warum eine Orgelpfeife, kurz nachdem man die Taste an der Klaviatur drückt, einen Ton produziert.
  

(9) Eine Uhr bauen

• Bauen Sie die Uhr gemäß der Anleitung zusammen.
• Beschreiben Sie die Funktionsweise der Uhr. Dabei können Sie von der genaueen Funktion jedes einzelnen Zahnrades absehen.

Folgende Begriffe sind interessant: Pendel, Energiezufuhr, Zahnrad, Untersetzung

(10) 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

• Warum hieß die Brücke bereits vor dem Kollaps "Gallopin Gertie"?

Wie genau schwingte (schwang?) die Brücke vor dem Einsturz?

• Wie versuchten die Ingenieure die Schwingungen zu minimieren?
• Was passierte am Tag des Einsturzes?
  

(Das dieses Problem auch heute noch auftreten kann, zeigt dieses Video einer Brücke in Volgograd.)

(11) Eine Kinderschaukel richtig anschubsen

Bevor ein Kind richtig schaukeln kann, zappelt es oft wild herum und kommt trotzdem nicht in Schwung. Hier sehen Sie bald ein, warum.

• Versuchen Sie das schwere Gewicht in Schwingungen zu versetzen. Wenn Sie zu fest ziehen, dann hält der Magnet leider nicht mehr :)
  

(12) Motor läßt Kotflügel wackeln

Hier werden Vibrationen, die von Motoren erzeugt werden, untersucht.

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

(13) Zittern wie Espenlaub

Auch Ahorn kann wie Espenlaub zittern. (Video)

• Schauen Sie sich das Video der wackelnden Blätter 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.
  

Resonanzkatastrophe

Motor regt Federpendel an (erst später und dann genauer)