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

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.

Eine Drehschwingung

• Vergleichen Sie diese Schwingung mit dem schwingenden Wagen.

Stellen Sie Parallelen und Unterschiede auf.

• Finden Sie weitere ähnliche Drehschwingungen?

Cladnische Figuren

Hier wird die Schwingung einer quadratischen Platte untersucht.

• Regen Sie die Platte zunächst an verschiedenen Stellen mit dem Klöppel an und hören Sie sich den entstandenen Ton an.
• Streuen Sie etwas Sand auf die Platte und wiederholen die Anregung an verschiedenen Stellen.

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 eine quadratische 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.

Mit Hilfe der Kursortasten kann man die Geschwindigkeit der Frequenzveränderung einstellen.

• Zeichnen Sie die entstandenen Bilder und schreiben die Anregungsfrequenz auf.

Hier einige von mir gefundene Frequenzen: 31,5Hz ; 39,7Hz ; 42,6Hz ; 52,6Hz ; 55,8Hz ; 61,7Hz ; 72,95Hz ;

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?

• Wo können Sie das Rohr zum Schwingen anregen und wo nicht?

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.

Gitarre und Geige

• Wie unterscheiden sich die Instrumente in der Art der Energiezuführung?
• 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?

(Wikipedia: Flageolettton)

Warum eine Flöte / Orgelpfeife klingt

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

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

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 :)

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.

Zittern wie Espenlaub

• Schauen Sie sich das Video der wackelnden Blätter an. Was fällt Ihnen auf?

Datei:Blätter.ogg

• 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

• 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?

Resonanzkatastrophe

Motor regt Federpendel an (erst später und dann genauer)