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Zusammenfassung
Schwingungen

Harmonische Schwingungen

Wann ist eine Schwingung harmonisch?
Wenn das Zeit-Auslenkungs-Diagramm eine Sinuskurve ist. Dann lässt sich die Auslenkung so berechnen:
y(t) = ymax · sin(ω · t + φ0)
  • ω = 2πT: Kreisfrequenz
  • φ0: Startwinkel, also wo die Schwingung bei t = 0 beginnt
tyymax−ymaxPeriodendauer TRuhelageUmkehrpunkt AUmkehrpunkt B
Der Grund dafür
Die rücktreibende Kraft zieht den Körper immer zur Ruhelage zurück. Bei einer harmonischen Schwingung ist sie genau proportional zur Auslenkung (lineares Kraftgesetz):
FR = −D · y
D ist die Richtgröße, beim Federpendel die Federkonstante. Das Minus bedeutet: Die Kraft zeigt immer entgegen der Auslenkung.
Doppelte Auslenkung → doppelte Rückstellkraft
Beispiele
  • harmonisch: Federpendel, Fadenpendel bei kleinen Winkeln, Stimmgabel, Metronom, Schaukel
  • nicht harmonisch: springender Flummi, Trampolinspringen
Beim Flummi wirkt in der Luft nur die Gewichtskraft. Sie hängt nicht von der Höhe ab, also gilt kein lineares Kraftgesetz.

Periodendauer berechnen

Federpendel
T = 2π · √mD
  • m: Masse des Körpers in kg
  • D: Federkonstante in N/m
Schwerer Körper: langsamer. Härtere Feder: schneller.
m = 0,5 kg, D = 20 N/m T = 2π · √0,5 kg20 N/m T ≈ 0,99 s
Fadenpendel
T = 2π · √lg
  • l: Länge des Fadens in m
  • g = 9,81 m/s²: Fallbeschleunigung
Die Masse spielt hier keine Rolle, nur die Länge.
l = 1 m T = 2π · √1 m9,81 m/s² T ≈ 2,0 s
💡 Die Formel für das Fadenpendel stimmt nur bei kleinen Auslenkungswinkeln, etwa bis 5° bis 10° (Kleinwinkelnäherung). Bei größeren Winkeln wird die Periodendauer etwas länger.
Selbst üben
Wie lang muss ein Fadenpendel sein, damit T = 1 s ist?
l = g · T² / (4π²) = 9,81 m/s² · (1 s)² / 39,5 ≈ 0,25 m
Ein Federpendel hat T = 0,8 s. Man hängt die vierfache Masse an. Wie groß ist T jetzt?
T verdoppelt sich, weil die Masse unter der Wurzel steht: T = 1,6 s
Ein Federpendel schwingt mit ymax = 5 cm und T = 2 s, Start in der Ruhelage nach oben. Wo ist es nach 0,25 s?
y = 5 cm · sin(2π / 2 s · 0,25 s) = 5 cm · sin(π/4) ≈ 3,5 cm
Ändert sich die Periodendauer eines Fadenpendels, wenn man eine schwerere Kugel nimmt?
Nein, T hängt nur von der Länge l und von g ab.