In unserer Umwelt gibt es viele Vorgänge, bei denen sich ein Zustand nach einer bestimmten Zeit wiederholt. Das gilt z. B. für die Bewegung der Gondel eines Riesenrades, für ein Kind auf einer Schaukel, für die Hin- und Herbewegung der Enden einer Stimmgabel (Bild 1) oder für den Flügelschlag bei einem Vogel. Solche Vorgänge nennt man periodische Vorgänge.
Definition einer mechanischen Schwingung
Bei einer Reihe von periodischen Vorgängen, z. B. bei einer Schaukel,
einer Stimmgabel (Bild 1) oder dem Pendel einer Pendeluhr, bewegt sich
ein Körper oder Teile davon zeitlich periodisch um eine Ruhelage (Gleichgewichtslage, Nulllage). Dabei ändern sich verschiedene physikalische
Größen periodisch. Solche sich ändernden physikalischen
Größen sind beispielsweise der Abstand des Körpers von
der Ruhelage, seine Geschwindigkeit, seine Beschleunigung, seine potenzielle
oder kinetische Energie. Solche Vorgänge nennt man mechanische
Schwingungen und definiert:
Eine mechanische Schwingung ist eine zeitlich
periodische Bewegung eines Körpers um eine Ruhelage.
Voraussetzungen für das Entstehen mechanischer Schwingungen
Damit überhaupt eine mechanische Schwingung entsteht, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:
- Es müssen schwingungsfähige Körper oder Teilchen vorhanden sein.
- Die schwingungsfähigen Körper bzw. Teilchen müssen aus ihrer Ruhelage (Gleichgewichtslage) ausgelenkt werden.
- Es müssen rücktreibende Kräfte vorhanden sein, die bewirken, dass sich der Körper bzw. die Teilchen nach der Auslenkung wieder in Richtung Ruhelage bewegen.
Beispiele für mechanische Schwingungen
Ein einfaches Beispiel für einen mechanischen Schwinger ist eine Schaukel. Sie schwingt ebenso wie ein Uhrpendel oder wie ein Fadenpendel hin und her, wenn sie einmal angestoßen wird. Der schwingungsfähige Körper ist bei der Schaukel der Sitz mit dem darauf befindlichen Kind. Eine Schwingung kommt zustande, wenn die Schaukel aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird. Das kann man durch Anschieben von außen oder durch geschickte Körperbewegungen erreichen.
Die rücktreibende Kraft ist in diesem Fall eine Komponente der Gewichtskraft (Bild 3). Sie bewirkt, dass sich der Körper vom Punkt A aus in Richtung Ruhelage (Punkt B) bewegt und 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.
Bei dieser Bewegung ändert sich z. B. die Geschwindigkeit des Körpers: Sie ist in den Punkten A und C (Bild 3) null und hat im Punkt B ihren maximalen Betrag. Es ändert sich auch die potenzielle Energie. Sie ist in den Punkten A und C maximal und ist in Punkt B null. Demgegenüber ist die kinetische Energie in den Punkten A und C null und hat in Punkt B ihren maximalen Wert.
Weitere Beispiele für mechanische Schwingungen sind die Schwingungen eines Autos beim Durchfahren einer Bodenwelle, schwingende Saiten oder schwingende Luftsäulen bei Musikinstrumenten, Federschwinger, eine schwingende Last an einem Kran oder die Schwingungen der Unruh einer Uhr.
Eine Schwingung - ganz allgemein
Es gibt auch Schwingungen, bei denen sich nicht mechanische Größen,
sondern z. B. solche Größen wie die Stärke des elektrischen
Feldes oder die Stärke des magnetischen Feldes zeitlich periodisch
ändern. Es können sich auch Stromstärke oder Spannung zeitlich
periodisch ändern, wie das z. B. bei Wechselstrom der Fall ist. Zeitlich
periodisch können sich nicht nur physikalische Größen,
sondern auch Zustände ändern. So gibt es z. B. Flüssigkeiten,
die zeitlich periodisch ihre Farbe ändern. Auch dann spricht man
von Schwingungen. Ganz allgemein kann man eine Schwingung folgendermaßen
definieren:
Eine Schwingung ist eine zeitlich periodische
Änderung einer physikalischen Größe oder eines physikalischen
Zustandes.