In diesem Artikel geht es um das Thema Schwingungen. Wir erklären dir, was eine Schwingung ist, welche Voraussetzungen für sie vorhanden sein müssen, welche Parameter sie beschreiben und welche Arten du im Hinblick auf sie unterscheiden musst. Dieser Artikel ist dem Schulfach Physik zuzuordnen und zeigt dir alles Wissenswerte zum Thema Schwingungen auf. Wie du an den noch folgenden Beispielen feststellen wirst, begegnen sie uns in vielerlei Bereichen.

Was sind Schwingungen?

Eine Schwingung (Oszillation) ist im allgemeinen eine zeitlich periodische Änderung einer oder mehrerer physikalischen Größen in einem physikalischen System.

Als eine bedeutende Sonderform sehen wir uns die mechanischen Schwingungen an. Durch diese werden ausschließlich Vorgänge beschrieben, bei denen sich ein Körper regelmäßig um eine Gleichgewichtslage (Ruhelage) bewegt. Die Trägheit eines Körpers, diese Bewegung beizubehalten, führt in solchen Fällen dazu, dass der Körper sich an der Gleichgewichtslage vorbei bewegt. Dies ist der Grund, weshalb dann auch eine Schwingung um die Gleichgewichtslage zu verzeichnen ist. Uns soll es nun im Folgenden genau um derartige mechanische Schwingungen gehen.

Voraussetzungen für das Entstehen mechanischer Schwingungen

Damit überhaupt eine mechanische Schwingung entsteht, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

• Schwingungsfähige Körper oder Teilchen müssen vorhanden sein.
• Schwingungsfähige Körper bzw. Teilchen müssen aus ihrer Gleichgewichtslage (Ruhelage) ausgelenkt werden.
• Rücktreibende Effekte müssen vorhanden sein, die bewirken, dass sich der Körper bzw. die Teilchen nach der Auslenkung wieder in Richtung Gleichgewichtslage bewegen.

Beispiele für mechanische Schwingungen

Als ein alltägliches Beispiel für eine mechanische Schwingung kannst du dir eine Schaukel vorstellen. Wenn sie einmal angestoßen wird, schwingt sie ebenso wie ein Uhrenpendel oder auch wie ein Fadenpendel hin und her. Der schwingungsfähige Körper ist hierbei der Sitz mit einer sich darauf befindenden Person. Eine Schwingung kommt dann zustande, wenn die Schaukel aus ihrer Gleichgewichtslage ausgelenkt wird. Das kannst du durch Anschieben von außen oder durch deine eigenen Körperbewegungen verursachen.

Abb. 1: Das Schaukeln als mechanische Schwingung

aus: https://www.grund-wissen.de/physik/mechanik/schwingungen-und-wellen/schwingungen.html

Die rücktreibende Kraft ist in diesem Fall die Gewichtskraft. Sie bewirkt, dass sich der Körper vom Punkt A aus in Richtung Ruhelage (Punkt B) bewegt. Sie wirkt solange, bis der Körper die Ruhelage erreicht hat. Aufgrund seiner Trägheit bewegt sich der Körper über die Ruhelage hinweg bis zum Punkt C. Dabei bewirkt die Gewichtskraft zunächst eine Verlangsamung der Bewegung bis zur Geschwindigkeit null (Punkt C) und anschließend wieder eine Bewegung in Richtung Ruhelage.

Es ändert sich ebenso die potentielle Energie. Sie ist in den Punkten A und C maximal und im Punkt B null. Demgegenüber ist die kinetische Energie in den Punkten A und C null und im Punkt B maximal.

Abb. 2: Physikalische Darstellung

aus: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/mechanische-schwingungen

Parameter zur Beschreibung mechanischer Schwingungen

Eine Schwingung kannst du durch folgende Parameter beschreiben:

• Die Elongation (Auslenkung) ist der jeweilige Abstand des schwingenden Körpers von der Gleichgewichts- oder Ruhelage. Die Auslenkung ist somit eine zeitabhängige Größe.
• Die Amplitude (Schwingungsweite) ist die maximale Auslenkung im Umkehrpunkt, genauer gesagt deren Betrag. Sie ist für jeden Schwingungsvorgang eine Konstante.
• Die Periode T (Schwingungsdauer) ist die Zeit, die für eine volle Schwingung erforderlich ist.
• Die Frequenz f ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Es gilt f = 1/T. Sie wird auch in der Einheit Hertz (Hz) angegeben. Eine Frequenz von 1 Hz = 1/s bedeutet, dass in einer Sekunde genau ein Schwingungsvorgang stattfindet.

Den zeitlichen Verlauf eines schwingenden Körpers kannst du mithilfe von einem Weg-Zeit-Diagramm darstellen. Dabei ergibt sich ein für den jeweiligen Schwinger (Oszillator) charakteristischer, periodischer Kurvenverlauf.

Abb. 3: Federpendel

aus: https://www.grund-wissen.de/physik/mechanik/schwingungen-und-wellen/schwingungen.html

Arten mechanischer Schwingungen

Mechanische Schwingungen können im Allgemeinen nach der Art der Energiezufuhr und nach der Form der Schwingungen unterschieden werden.

Nach Art der Energiezufuhr unterscheidet man zwischen

• freien und erzwungenen Schwingungen.

Nach der Form der Schwingungen unterscheidet man zwischen

• harmonischen und aharmonischen Schwingungen sowie

• ungedämpften und gedämpften Schwingungen.

Freie und erzwungene Schwingungen

Wird ein schwingendes System einmal angeregt und dann sich selbst überlassen, so führt es Schwingungen mit seiner Eigenfrequenz aus. Solche freien Schwingungen führt z.B. eine Stimmgabel aus, die einmal angeschlagen wird und dann weiter schwingt. Das gilt auch für Saiten von Musikinstrumenten, die ebenfalls einmal angeschlagen werden.

Wird die Energie jedoch über einen längeren Zeitraum hinweg periodisch zugeführt, so führt das schwingende System erzwungene Schwingungen mit der Frequenz des anregenden Systems aus. Bspw. kann eine Maschine das Fundament, auf dem sie steht, zu erzwungenen Schwingungen anregen.

Harmonische und aharmonische Schwingungen

Hat die Weg-Zeit-Funktion einer Schwingung die Form einer Sinus-Funktion so bezeichnet man sie als harmonisch, andernfalls als aharmonischen.

Abb. 4: Harmonische und aharmonischen Schwingung

aus: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/arten-mechanischer-schwingungen

Ungedämpfte und gedämpfte Schwingungen

Ein sich selbst überlassener Körper führt immer gedämpfte Schwingungen aus, da stets Reibung auftritt und durch Reibung ein Teil der mechanischen Energie in thermische Energie umgewandelt und als Wärme an die Umgebung abgegeben wird.

Soll ein Körper ungedämpfte Schwingungen ausführen, so muss ihm die Energie, die durch Reibung in thermische Energie umgewandelt wird, periodisch wieder zugeführt werden. Das geschieht z.B. bei einem Uhrenpendel durch ein Gewicht.

Bei gedämpften Schwingungen ist zu beachten, dass sich zwar im Laufe der Zeit die Amplitude verkleinert, die Schwingungszeit und damit auch die Frequenz dabei aber gleich bleibt.

Abb. 5: Ungedämpfte und gedämpfte Schwingung

aus: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/arten-mechanischer-schwingungen#

Die Schwingungen - Alles Wichtige auf einen Blick

• Eine Schwingung (Oszillation) ist eine zeitlich periodische Änderung einer oder mehrer physikalischen Größen in einem physikalischen System.
• Die mechanische Schwingung als Sonderform stellt eine regelmäßige Bewegung eines Körpers um eine Gleichgewichtslage (Ruhelage) dar.
• Als Voraussetzungen für das Entstehen mechanischer Schwingungen müssen schwingungsfähige Körper bzw. Teilchen vorhanden sein, die aus ihrer Gleichgewichtslage ausgelenkt werden und zudem durch rücktreibende Kräfte wieder in Richtung Gleichgewichtslage bewegt werden.
• Alltägliche Beispiele für solche Schwingungen sind bewegte Schaukeln, Uhrenpendel, Federpendel, Stimmgabeln sowie Musikinstrumente.
• Zur Beschreibung werden die Parameter Elongation, Amplitude, Periode und Frequenz verwendet.
• Mechanische Schwingungen können nach Art ihrer Energiezufuhr (freie und erzwungene Schwingungen) und nach ihrer Form (harmonische und aharmonische sowie ungedämpfte und gedämpfte Schwingungen) unterschieden werden.

FERTIG! Zum einen weißt du jetzt was Schwingungen sind und zum anderen bist du nun in der Lage diese in sinnvolle physikalische Zusammenhänge einzuordnen sowie zu beschreiben. Artikel zu diesem und vielen weiteren Themen, Übungsaufgaben und hilfreiche Literatur findest du auf StudySmarter.