Ein Federschwinger
oder Federpendel ist ein einfacher mechanischer
Schwinger, bei dem ein an einer elastischen Feder befestigter Körper
in einer Richtung hin- und herschwingt. Man unterscheidet zwischen vertikalen
und horizontalen Federschwingern (Bild
1).
Beispiele für schwingende Körper, die man vereinfacht als Federschwinger
betrachten kann, sind Federungen von Autos und Motorrädern, ein Kranseil
mit einer angehängten Last, eine Stimmgabel oder ein Trampolin mit
Springer.
Schwingungsdauer und Frequenz eines
Federschwingers
Die Schwingungsdauer (Periodendauer)
eines Federschwingers hängt ab von der Masse des Pendelkörpers
und von den elastischen Eigenschaften der Feder.
Für die Schwingungsdauer eines Federschwingers gilt:
Beachte:Die Ausdehnung der Feder hat keinen Einfluss auf die Schwingungsdauer, wenn man sich im elastischen Bereich der Feder befindet, also in dem Bereich, in dem das hookesche Gesetz gilt.
Da zwischen der Schwingungsdauer und der Frequenz der Zusammenhang
besteht, erhält man für die Frequenz eines Federschwingers die Gleichung:
Kennzeichnung der Schwingung eines
Federschwingers
Im elastischen Bereich der Feder führt ein Federschwinger harmonische
Schwingungen oder sinusförmige
Schwingungen aus.
Wird der Pendelkörper nur einmal ausgelenkt, so verringert sich allmählich
infolge des Luftwiderstandes und anderer Reibungseffekte die Amplitude.
Die Schwingung ist dann gedämpft.
Bei einem Federschwinger wird ständig potenzielle in kinetische Energie
umgewandelt und umgekehrt. Durch Reibung verringert sich die mechanische
Energie allmählich.
Die rücktreibenden Kräfte sind jeweils elastische Kräfte
der Feder bzw. die Gewichtskraft (Bild 2).