Mathematik verstehen 6, Schulbuch

105 5.7 Harmonische Schwingungen in der Physik Zusammenfassend lässt sich sagen: Eine Kreisbewegung und die dazugehörige harmonische Schwingung können durch analoge Begriffe beschrieben werden, die in der folgenden Tabelle zusammengestellt sind. Größe Bedeutung bei der Kreisbewegung Bedeutung bei der Schwingung r Radius Amplitude T Umlaufzeit (Zeitdauer für einen vollen Umlauf) Schwingungsdauer (Zeitdauer für eine volle Schwingung) f Umlaufzahl (Anzahl der Umläufe pro Sekunde) Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde) ω Winkelgeschwindigkeit Kreisfrequenz Phasenverschiebung L Der Begriff der harmonischen Schwingung wird in der Physik noch etwas allgemeiner verwendet. Man spricht auch dann von einer harmonischen Schwingung, wenn die Elongation so beschrieben werden kann: s (t) = r · sin ( ω · t + φ) = r · sin​​[ ω · ​(t + ​ φ _ ω ​) ​]​ Dies entspricht einer Kreisbewegung, bei der sich der Körper zum Zeitpunkt t = 0 nicht im Punkt ​ P 0 ​= [r 1 0], sondern im Punkt P​ 0 ​= [r 1 φ] befindet. Der Graph der Funktion s entsteht aus dem Graphen der Funktion ​s 0 ​mit ​s 0(​t) = r · sin (ω · t) durch eine Verschiebung um ​ ​ φ _ ω ​ ​nach links. Man sagt: Die zu s gehörige Schwingung geht aus der zu s​ 0 ​gehörigen Schwingung durch eine Phasenverschiebung hervor. Ausgehend von einer gewöhnlichen Sinusfunktion kann der Graph von s schrittweise aufgebaut werden, indem man der Reihe nach folgende Funktionen betrachtet: ​s 0(​t) = sin (t) ​s 1(​t) = sin(ω · t) s​ 2(​t) = sin​​[ ω · ​(t + ​ φ _ ω ​) ​]​ ​​s 3​(t) = r · sin​​[ ω · ​(t + ​ φ _ ω ​) ​]​ • Beim Übergang von s​ 0 ​zu ​s 1 ​wird der Graph von s​ 0 ​mit dem Faktor ​ ​ 1 _ ω ​ ​normal zur 2. Achse gestreckt, der Körper führt also im Zeitintervall [0; 2 π] nicht eine, sondern ω Schwingungen aus. • Beim Übergang von s​ 1 ​zu ​s 2 ​wird der Graph von s​ 1 ​um ​ ​ φ _ ω ​ ​nach links verschoben. • Beim Übergang von s​ 2 ​zu ​s 3 ​wird der Graph von s​ 2 ​mit dem Faktor r normal zur 1. Achse gestreckt, die Amplitude wird r-mal so groß. BEISPIEL Wir bauen die Funktion f mit f (t) = 3 · sin ​(2 · t + ​ π _ 2 ​) ​= 3 · sin ​[ 2 · ​(t + ​ π _ 4 ​) ​] ​auf die oben beschriebene Art schrittweise auf. f​ ​0 ​(t) = sin (t) ​f ​1 ​(t) = sin (2 · t) ​f ​2 ​(t) = sin ​[ 2 · ​(t + ​ π _ 4 ​) ​]​ ​f ​3 ​(t) = 3 · sin ​[ 2 · ​(t + ​ π _ 4 ​) ​]​ 2. A. 1. A. 1 2 0 3 – 1 – 2 – 3 2π π π_ 2 3π__ 2 f2 f1 f0 f3 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

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