Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

1 Mechanische Schwingungen In diesem Kapitel erfährst du, − warum Pendel für die Physik wichtig sind, − was ein harmonischer Oszillator ist, − was man in der Physik unter Resonanz versteht, − etwas über Geophysik und Erdbeben. 28.1 Hohe, schmale Gebäude, wie etwa der 508 m hohe taiwanesische Wolkenkratzer Taipei 101, werden durch Wind oder Erdbeben in Schwingungen versetzt. ? Wie kann man die Schwingungen klein halten und Bauschäden verhindern? 28.2 Ein Kolibri führt mit seinen Flügeln sehr rasche Schwingungen – bis etwa 70 in der Sekunde – aus. 28.3 Am Metronom stellt man die Zahl der Schläge pro Minute ein. Dies hilft, beim Musi- zieren ein gleichmäßiges Tempo einzuhalten. Die Schwingungen eines Pendels faszinieren wohl jeden Menschen und werden daher auch heute noch für magische und esoterische Zwecke genutzt. Technisch wurden die sich zeitlich regelmäßig wiederholenden Bewegungen des Pendels – wir sprechen von periodischen Bewegungen – zunächst für die Messung der Zeit verwendet. Galilei fand heraus, dass die Schwingungsdauer von der Pendellänge abhängig ist und schuf damit die Basis für die Pendeluhr. Für die Physik sind Pen- del aber vor allem deshalb interessant, weil sie ein einfaches Modell für einen der wichtigsten Bewegungsabläufe in der Natur darstellen: die harmonische Schwin- gung. Ein Pendel, das wir aus der Ruhelage bringen, schwingt: die schwingende Masse führt immer wieder dieselbe Bewegung aus, indem sie sich in einem bestimmten Zeitabschnitt auf die Ruhelage zubewegt und von dieser wieder wegbewegt. Ähnli- che Bewegungen lassen sich in Natur und Technik häufig beobachten: ein schau- kelndes Kind, die Schwingungen einer Lautsprechermembran, schwingende Brücken, der Flügelschlag von Vögeln und Insekten und vieles mehr. Durch Zufuhr von kinetischer oder potenzieller Energie kann jeder elastische Kör- per in Schwingung versetzt werden. So kann etwa ein Sturm Hochhäuser zum Schwingen bringen oder wir können durch Zupfen die Saiten eines Instruments schwingen lassen. Viele Schwingungen sind harmonische Schwingungen . Solche Schwingungen tre- ten auf, wenn auf den schwingenden Körper eine rücktreibende Kraft wirkt, deren Stärke proportional zur Auslenkung ist (s. Hooke’sches Gesetz, Physik 5, S. 33). Hängt man eine Masse an eine Feder und lässt diese schwingen, so spricht man von einem Federpendel. Man bezeichnet ein solches Pendel als „ harmonischen Os- zillator “. Auch Fadenpendel sind bei kleinen Auslenkungen harmonische Oszillato- ren. Feder- und Fadenpendel vollführen besonders einfache Schwingungen und können daher als Modelle dienen, an denen man die Eigenschaften harmonischer Schwingungen untersuchen kann. Mathematiker konnten zeigen, dass sich komplizierte periodische Bewegungen aus einfachen harmonischen Schwingungen zusammensetzen lassen. Dies gilt nicht nur für Schwingungen, die wir aus Alltag und Technik kennen, sondern auch für den Mikrokosmos. Auch Atome und Moleküle können durch Aufnahme von Energie (etwa durch Absorption von Licht) in Schwingung versetzt werden (siehe Physik 7). 28 SCHWINGUNGEN Nur zu Prüfzwecken – Eigentum es Verlags öbv