Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Das Resonanzphänomen war bereits G ALILEI bekannt. Er schreibt: „Schon als Kind habe ich gesehen, wie ein einziger Mann durch regelmäßiges Ziehen eine immense Kirchenglocke zum Läuten brachte. Um sie anzuhalten, hingen sich dann vier oder sechs schwere Männer an, wurden aber stets mehrere Male in die Höhe gehoben und konnten die Glocke, die ein Einziger durch regelmäßiges Ziehen in Bewegung gesetzt hatte, nicht sogleich zur Ruhe bringen.“ Galilei beschreibt in diesem Text, wie ein System zum Schwingen gebracht wird. Nähert sich die Erregerfrequenz der Eigenfrequenz. Merkt man dies an einer deut- lichen Steigerung der Amplitude. Am stärksten schwingen die Glocken, wenn das „regelmäßig Ziehen“ in der Eigenfrequenz der Glocke erfolgt. Erzwungene Schwin- gungen und Resonanz kann man an vielen Beispielen beobachten: Motoren begin- nen bei bestimmten Drehzahlen zu vibrieren. Brücken können durch Wind oder durch Fußgänger, die im Gleichschritt gehen, in Schwingung geraten. Kraftfahr- zeuge werden durch Bodenunebenheiten zum Schwingen gebracht. Die Stoßdämpfer dienen bei Fahrzeugen dazu, die Schwingungen der gefederten Massen (Karosserie, Antrieb, Teile der Radaufhängung) rasch abklingen zu lassen und damit die Bodenhaftung der Räder zu gewährleisten. Ein Stoßdämpfer besteht aus einem ölgefüllten Zylinder, in dem sich ein Kolben bewegt ( 38.1 ). Unter und über dem Kolben befindet sich das Öl. Im Kolben sind Ventile, durch die das Öl strömen kann. Wird der Stoßdämpfer zusammengedrückt, so strömt das Öl von der unteren Ölkammer in die obere, beim Auseinanderziehen wird das Öl von oben nach unten durch den Kolben gepresst. Um das Öl durch die Kolbenventile zu pres- sen, ist Energie erforderlich. Diese wird dem schwingenden System entzogen und somit kommt es zu einer Dämpfung der Schwingung. Untersuche, überlege, forsche: Erzwungene Schwingungen 38.1 E 1 Wenn man mit dem Auto im Schnee oder im Morast stecken geblieben ist, empfiehlt es sich, im passend gewählten Rhythmus hin und her zu fahren, um das Auto wieder frei zu bekommen. Welche Erscheinung wird hier ausgenützt? 38.2 E 1 Wie gelingt es einem schaukelnden Kind (s. Abb. 36.1) die durch Reibung der Schwingung entzogene Energie zu ersetzen, ja sogar ohne Energiezufuhr von au- ßen die Amplitude zu vergrößern? ? Antwort auf die Eingangsfrage Schwingungen von Hochhäusern Hohe, schmale Gebäude können durch Wind oder Erdbeben in Schwingungen bis zu Amplituden von mehreren Metern versetzt werden. Bei Wind geschieht dies, wenn die Frequenz von Windböen mit der Eigenfrequenz des Gebäudes überein- stimmen und es zur Resonanz kommt (etwa 0,05 bis 0,5Hz ). Um eine Zerstörung der Bauten zu verhindern, muss die Schwingung gedämpft werden. Zur Dämpfung tragen einerseits die Konstruktionsteile bei (Energieverlust durch innere Reibung), andererseits werden spezielle Maßnahmen gesetzt. Beim 101 Stockwerke hohen Taipei 101 sind dies Stahlbetonpfeiler und ein Netz von Stahlverstrebungen. Zusätzlich wurde zwischen dem 87. und 92. Stockwerk, wo die Schwingungsamplitude besonders groß ist, ein 660 t schweres Pendel eingesetzt. Es ist auf die Eigenfrequenz des Gebäudes eingestellt und bildet zusammen mit dem Gebäude ein gekoppeltes Pendel. Das Pendel hängt an dicken Stahlseilen und ist im unteren Teil mit Stoßdämpfern an das Gebäude gekoppelt. Die Stoßdämpfer wandeln Schwingungsenergie in Wärme um. Das Pendel vermindert auch die vertikalen Schwingungen bei Erdbeben. Ähnliche Schwingungstilger gibt es auch in anderen Hochhäusern, u. a. im 2014 eröffneten DC Tower in Wien, wo zwischen dem 56. und dem 59. Stockwerk ein Pendel mit ei- ner Masse von 300 t hängt. Schwingungen von Brücken Auch Brücken benötigen Schwingungstilger, denn Menschenmassen können Brücken zum Schwingen bringen. Zur Eröffnung der Millenium Bridge in London, einer Hängebrücke ( 39.2 ), bewegten sich die zahlreichen Spaziergänger nahezu im Gleichschritt und regten damit die Brücke zu vertikalen und horizontalen Schwingungen mit etwa 1Hz an. Die Behörden sperrten daraufhin die Brücke, bis sie mit Schwingungstilgern nachgerüstet war. Druck Zug Öl Ventile Gas 38.1 Stoßdämpfer 38.2 Stoßdämpfer bei einem Wolkenkratzer 38 SCHWINGUNGEN Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv