Um welche Bewegung handelt es sich bei einem Federpendel?
Ich habe eine Physik Frage.
Federpendel (einmal angestoßen)
-gleichförmige beschleunigte Bewegung
-Harmonische Schwingung
-Transversale Welle
-longitundinale Welle
-> Es sind können auch mehrere Antworten richtig sein.
Macht es hier einen Unterschied ob man die Luftreibung vernachlässigt oder ist das egal? Bzw. was wäre die richtige Antwort bei Vernachlässigung der Luftreibung und was unter "realen" Bedingungen?
Bin für jede Antwort und Begründung dankbar!
3 Antworten
Überleg dir, ob folgende Merkmale auf ein Federpendel zutreffen:
Gleichförmig beschleunigt bedeutet, dass die Beschleunigung konstant ist - wir haben ggf. einen Bremsvorgang, einen Moment Stillstand und dann einen Beschleunigungsvorgang ohne Begrenzung der Geschwindigkeit und erst recht nicht des Weges.
Harmonische Schwingung: genau dann (immer dann und nur dann), wenn die Rückstellbeschleunigung proportional der Auslenkung ist (mit umgekehrtem Vorzeichen, also immer in Richtung der Ruhelage).
Welle: erfordert räumliches Fortschreiten einer (mehr oder weniger periodischen) Bewegung. Auf einer (realen) Feder können natürlich Wellen laufen, aber dazu braucht jede Windung der Feder eine Masse, und die sollte zudem bekannt sein.
Transversalwellen: Auslenkung aus der Ruhelage quer (transversal) zur Ausbreitungsrichtung. Z. B. Wasserwellen, "stehende" Wellen auf den Saiten von Saiteninstrumenten
Longitudinalwellen: Auslenkung aus der Ruhelage längs (longitudinal) zur Ausbreitungsrichtung. Z. B. Schallwellen, Dichtewellen in Autobahnstaus.
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Ja, es ergibt einen Unterschied, ob wir Reibung haben oder nicht. Eine harmonische Schwingung im engeren Sinne kann es nur ohne Reibung geben - oder mit exakt kompensierter Reibung.
Mit Reibung haben wir eine "gedämpfte" harmonische Schwingung (harmonische Schwingung im weiteren Sinne). Hier geht ständig ein wenig Energie "verloren" (die Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt und ist damit nicht mehr im mechanischen Teil des Systems vorhanden).
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Um gedämpfte harmonische Oszillatoren vorzustellen, nimmt man übrigens so etwas wie Flüssigkeitsreibung - Reibungskraft proportional zur Geschwindigkeit. Das lässt sich am einfachsten berechnen (und stimmt auch für Anwendungen in der Elektrotechnik). Luftreibung geht typischerweise proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit und trockene Reibung ist (in erster Näherung) von der Geschwindigkeit unabhängig. (Ölfilme wären wieder was Eigenes - soweit ich mich erinnere, ungefähr proportional zur Wurzel der Geschwindigkeit.)
Harmonische Schwingung und longitundinal stimmt, die beiden anderen nicht.
Longitundinal weil die Schwingung in Richtung der Ausbreitung der Welle erfolgt, also beides normalerweise hoch und runter (bei einer hängenden Feder). Transversal sind zB Wasserwellen, die sich waagerecht ausbreiten, aber senkrecht schwingen.
Gleichförmig beschleunigt kann nicht sein, da die Bewegung der Feder sich ja umkehrt und vor dem Wendepunkt sich verlagsamt um dann zu beschleunigen. Allein die Umkehr als solche bedeutet einen Vorzeichenwechsel der Beschleunigung und ist somit nicht gleichförmig.
Ich hab gerade gesehen, dass ich hier etwas falsches geschrieben habe. Beim Federpendel ist die Beschleunigung auch im Erdkoordinatensystem nicht konstant, weil die Federkraft ja dagegen wirkt.
Meine Aussage war auf das Stabpendel bezogen, aber auch hier stimmt sie so nicht weil man die Lagerkräfte mitrechnen muss welche zum Teil immer gegen die Erdbeschleunigung wirken und dieser Anteil von der Auslenkung abhängt.
Harmonische Schwingung. Wenn man Reibungen berücksichtigt, ist es eine gedämpfte Schwingung.
Transversale Welle, wenn du das Pendel seitlich anstößt. Dabei wird wohl auch eine longitudinale Komponente dazukommen.
Longitudinale Welle, wenn du das Pendel in Federrichtung anstößt.
Die Bewegung ist genau genommen im Erdkoordinatensystem wirklich gleichförmig beschleunigt weil nur die Erdfallbeschleunigung wirkt und diese immer in die selbe Richtung.
Im Bezugssystem des Pendels wirkt diese Kraft aber nicht immer gleich weil der Angriffswinkel von der Auslenkung abhängt.
Dass sich die Bewegungsrichtung umkehrt schließt aber keine gleichmäßig beschleunigte Bewegung aus. Der Vorzeichenwechsel ist hier nur in der Geschwindigkeit nicht aber in der Beschleunigung.