Die Schwingungen eines Pendels faszinieren wohl viele Menschen und werden daher auch für magische und esoterische Zwecke genutzt. Galilei fand 1632 heraus, dass die Schwingungsdauer nur von der Pendellänge abhängig ist. Technisch wurden die sich zeitlich regelmäßig wiederholenden Bewegungen des Pendels – wir sprechen von periodischen Bewegungen – zunächst für die Messung der Zeit verwendet (Huygens 1657). Für die Physik sind Pendel aber vor allem deshalb interessant, weil sie ein einfaches Modell für einen der wichtigsten Bewegungsabläufe in der Natur darstellen: die harmonische Schwingung. Ein Pendel, das wir aus der Ruhelage bringen, schwingt: die schwingende Masse führt immer wieder die gleiche Bewegung aus, indem sie sich in einem bestimmten Zeitabschnitt auf die Ruhelage zubewegt und von dieser wieder wegbewegt. Ähnliche Bewegungen lassen sich in Natur und Technik häufig beobachten: ein schaukelndes 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 Körper 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 treten auf, wenn auf den schwingenden Körper eine rücktreibende Kraft wirkt, deren Stärke proportional zur Auslenkung ist (siehe Hooke’sches Gesetz, Physik 5, S. 39). Hängt man ein Massestück an eine Spiralfeder und lässt diese schwingen, so spricht man von einem Federpendel. Man bezeichnet ein solches Pendel als „harmonischen Oszillator“. Auch Fadenpendel sind bei kleinen Auslenkungen harmonische Oszillatoren. Feder- und Fadenpendel vollführen besonders einfache Schwingungen und können daher als Modelle dienen, an denen man die Eigenschaften harmonischer Schwingungen untersuchen kann. Um 1800 konnte der französische Mathematiker Jean-bapTisTe Fourier zeigen, dass sich komplizierte periodische Bewegungen aus einfachen harmonischen Schwingungen zusammensetzen lassen. Harmonische Schwingungen sind nicht nur für den Alltag und die Technik relevant. Sie spielen auch im Mikrokosmos eine wichtige Rolle. Atome und Moleküle können durch Aufnahme von Energie (etwa durch Absorption von Licht) in Schwingung versetzt werden (siehe Physik 7). 32.1 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 Schäden an Gebäuden verhindern? 32.2 Ein Kolibri führt mit seinen Flügeln sehr rasche Schwingungen – bis etwa 70 in der Sekunde – aus. Bei periodischen Bewegungen hat der Körper nach bestimmten, gleichbleibenden Zeitabschnitten denselben Bewegungszustand. 32.3 Ein Focault-Pendel ist ein frei aufgehängtes Fadenpendel aus einem großen Massestück an einem langen Seil. Man kann damit die Drehung der Erde nachweisen. 32 Schwingungen 1 Mechanische Schwingungen In diesem Kapitel erfährst du, – warum Pendel wichtig sind, – was ein harmonischer Oszillator ist, – was man in der Physik unter Resonanz versteht, – etwas über Geophysik und Erdbeben. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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