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Harmonische Schwingung

Definition: harmonische Schwingung


Eine harmonische Schwingung ist eine reine Sinusschwingung.

Diese periodische Bewegung kann als Projektion einer Kreisbewegung gedacht werden.

Sie bewegt sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ω um den Nullpunkt des kartesischen Koordinatensystems. 

 

Verwendete Begriffe:


Harmonische Schwingungsdauer 

 

Schwingungsdauer (T): 

Hierunter versteht man die die Zeitdauer einer vollen Schwingung. 

Sie entspricht der Zeitdauer eines vollen Umlaufs bei einer Kreisbewegung. 

Einheit: 1 s 

 

Amplitude (r): 

Hierunter versteht man die größte Entfernung des schwingenden Körpers von seiner Ruhelage. 

Sie entspricht dem Radius eines Kreises. 

Einheit: 1 m 

 

Frequenz (f):

Hierunter versteht man die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. 

Sie entspricht der Anzahl der vollen Kreisumläufe pro Sekunde.

Einheit: 1 Hz (Hertz) 

 

Schwingungsdauer Formel:


Die Schwingungsdauer wird mit folgender Formel berechnet:
 
T =       
       ω

T = Schwingungsdauer

π = die Zahl pi 

ω = Winkelgeschwindigkeit

 

Frequenz Formel:


Die Frequenz ist der Kehrwert der Schwingungsdauer.

f = 1 = ω 
T 2π

Erklärung: 

f = Frequenz 

T = Schwingungsdauer

ω = Winkelgeschwindigkeit

π = die Zahl pi

 

Funktion einer harmonischen Schwingung:


Die Funktion einer harmonischen Schwingung lautet:

f (t) = r • sin (ωt + φ) 

 

Erklärung: 

f = eine von der Zeit t abhängige veränderliche Zustandsgröße (z.B. Geschwindigkeit, Beschleunigung, Dampfdruck, Spannung, Stromstärke, etc.) 

t = die verstrichene Zeit 

r = die Amplitude der Schwingung

ω = die Winkelgeschwindigkeit 

φ = die Phasenkonstante

 

Beispiel: 


Aufgabe:

Ein Pendel braucht für 6 Perioden 15 Sekunden 

a) Berechne die Periodendauer T!

b) Wie groß ist die Anzahl der Perioden in 1 s (Frequenz) ?

 

Lösungen:

a) Berechnung der Periodendauer:

Überlegung: Periodendauer = benötigte Zeit dividiert durch Anzahl der Perioden

T = 15 s  = 2,5 s
        6 
 
A: Die Periodendauer beträgt 2,5 s.
 
 
b) Anzahl der Perioden in 1 s 
 
Überlegung: Die Frequenz ergibt sich als Kehrwert der Periodendauer 
 
F =  T-1  d.f. 2,5-1 ergibt 0,4 (Hz).
 
A: Die Anzahl der Perioden pro Sekunde (Frequenz) beträgt 0,4 (Hz).