Jedes schwingende System besitzt eine Eigenfrequenz. Ist ein schwingendes System sich selbst überlassen, schwingt es bei genau dieser Frequenz.
Beispiel
Wenn Du eine Schaukel auslenkst und loslässt, wirst Du feststellen, dass diese immer bei der gleichen Frequenz schwingt, nämlich bei ihrer Eigenfrequenz.
Rückstellkraft
Betrachten wir ein Pendel, so sorgt die Rückstellkraft FR dafür, dass das Pendel zurück in seine Ruhelage gelangt. Die Rückstellkraft wird größer, je weiter das Pendel von der Ruhelage ausgelenkt wird. Irgendwann ist diese so groß, dass das Pendel umdreht und zurückschwingt.
Wegen der Trägheit des Pendels schwingt dieses aber über die Ruhelage hinaus: Das Resultat ist eine Schwingung des Pendels um die Ruhelage.
Beispiel
Beim Federpendel wird die Rückstellkraft durch die Feder aufgebracht, die auseinander gezogen oder zusammen gedrückt wird.
Beim Fadenpendel ist die Rückstellkraft die Gewichtskraft.
Fadenpendel
Bei dem Fadenpendel wird die Eigenfrequenz f0 des Pendels durch die Länge l des Pendels bestimmt. Auf das Pendel wirkt die Gewichtskraft Fg=m⋅g. Die Eigenfrequenz ist dann:
f0=2π1⋅lg
Die Voraussetzung für diese Gleichung ist, dass sich die Rückstellkraft linear verhält, also FR(x)=−k⋅x. Dann führt das Pendel nämlich eine harmonische Schwingung aus. Mithilfe eines Fadenpendels kannst Du also die Erdbeschleunigung messen. Am einfachsten bestimmst Du dazu die Periodendauer T0=f01, also:
T0=2π⋅gl
Beispiel
Du sitzt auf einer Schaukel. Die Länge der Schaukel beträgt 2m. Wie oft pro Sekunde wirst Du hin und her schwingen, wenn Du die Schaukel nur einmal anstößt? (Luftwiderstand und Reibung werden vernachlässigt)
Gegeben: Länge l=2m
Gesucht: Eigenfrequenz f0
Lösung:
Nur alleine die Länge der Schaukel ist entscheidend. Du berechnest die Eigenfrequenz der Schaukel mithilfe der obigen Gleichung:
f0=2π1⋅lg=2π1⋅2m9,81m/s2=0,35Hz
Du schwingst also einmal alle drei Sekunden.
Federpendel
Die Eigenfrequenz des Federpendels wird durch die Masse m und die Federkonstante D bestimmt. Bei einem hängenden Federpendel wirken die Gewichtskraft und die Federkraft auf das Pendel. Wie beim Fadenpendel ist die Federkraft auch linear zur Auslenkung, also FR(x)=−D⋅x. Die Eigenfrequenz des Federpendels ist:
f0=2π1⋅mD
Sie wird also ganz ähnlich wie beim Fadenpendel berechnet. Du kannst daraus auch die Periodendauer berechnen und erhältst:
T0=2π⋅Dm
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