PHYSIK MECHANIK - Abteilung für Didaktik der Physik

10. Schwingungen
10.1 Kinematik und Dynamik
Die Kinematik befaßt sich mit der Form der Bahn eines Körpers oder Teilchens, und sie befaßt
sich damit, wie diese Bahn zeitlich durchlaufen wird. Sie befaßt sich also mit der Funktion r( t).
Mechanische Vorgänge werden gern nach kinematischen Kriterien klassifiziert. So spricht man
von
- geradlinig gleichförmigen Bewegungen;
- gleichmäßig beschleunigten Bewegungen;
- gleichförmigen Kreisbewegungen;
- harmonischen Bewegungen;
- exponentiell abklingenden Bewegungen;
- chaotische Bewegungen;
- etc.
Eine solche Klassifizierung legt aber die Dynamik eines Vorgangs keineswegs fest. Ein und derselbe
kinematische Bewegungstypus kann auf ganz unterschiedliche Arten zustande kommen.
So liegt eine geradlinig gleichförmige Bewegung vor bei einem Auto, das mit konstanter Geschwindigkeit
auf einem geraden Stück der Autobahn fährt, aber auch bei dem berühmten kräftefreien
Körper des ersten Newtonschen Gesetzes. Die beiden Vorgänge haben dieselbe Kinematik,
aber eine unterschiedliche Dynamik.
10.2 Qualitative Diskussion einiger Beispiele von Schwingungen
Eine Schwingung liegt vor, wenn sich der Wert einer physikalischen Größe periodisch ändert,
z. B. der Impuls eines Pendels, die elektrische Stromstärke in einem Schwingkreis oder das
Reflexionsvermögen eines Laubwaldes bei λ= 500 nm. Wir beschränken uns hier natürlich auf
mechanische Schwingungen, d. h. Schwingungen von Größen, die in der Mechanik eine Rolle
spielen. Wir fassen aber den Begriff der Schwingung nicht sehr eng. Wir sprechen z. B. auch dann
noch von einer Schwingung, wenn die periodische Variation mit einer Exponentialfunktion moduliert
ist. Man nennt eine solche Schwingung "gedämpft".
Man kann Schwingungen oder schwingende Systeme nach verschiedenen Kriterien beurteilen:
- Wie ist die Schwingungsform? (harmonisch, sägezahnförmig etc.)
- Wieviele Energiespeicher sind am Zustandekommen der Schwingung beteiligt?
- Welcher Anteil der Energie wird pro Periode dissipiert?
- Welche Energie- und Impulsströme fließen in das System hinein und aus ihm heraus?
- Hat das System charakteristische Frequenzen?
Wir werden zunächst einige Beispiele unter diesen Gesichtpunkten qualitativ diskutieren. Wir