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Harmonische Schwingung

Eine Bewegung, die sich nach einer festen Zeit wiederholt, heißt periodisch. Pendelt ein Körper um eine Mittellage hin und her und ist die rücktreibende Kraft proportional zum Abstand von der Mitte (F = −kx), spricht man von einer harmonischen Schwingung. Ihre Lage ist x = A sin(ωt + φ) mit ω = 2π/T = 2πf. Die Geschwindigkeit ist in der Mitte am größten, die Beschleunigung an den Umkehrpunkten, und die Gesamtenergie ½kA² bleibt konstant.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Eine Kugel rollt auf einer Schiene hin und her. Immer wieder kommt sie an denselben Ort zurück. Die Zeit für einen ganzen Hin- und Rückweg ist die Periode T. Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde ist die Frequenz f = 1/T.
  2. Wir zeichnen die Lage x der Kugel gegen die Zeit. Es entsteht eine glatte Sinuskurve: x = A sin(ωt). A ist die Amplitude, der größte Abstand von der Mitte.
  3. Eine Kugel läuft mit gleichbleibender Geschwindigkeit auf einem Kreis und wirft einen Schatten. Der Schatten schwingt harmonisch. Die Kraft auf ihn zeigt immer zur Mitte und wächst mit dem Abstand: F = −kx.
  4. Zwei Kugeln haben gleiches A und gleiches T, aber eine ist etwas später dran. Dieser Rückstand ist die Phasendifferenz φ. Die Phase sagt, wo im Ablauf sich eine Kugel gerade befindet.
  5. In der Mitte ist die Kugel am schnellsten, die kinetische Energie ist also voll. An den Enden steht sie kurz still, die potenzielle Energie ist voll. Die Summe ½kA² bleibt gleich.
  6. Freies Spiel: Ändere Amplitude, Periode und Phase und beobachte, wie sich Graph und Energiebalken verändern.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Ist jede periodische Bewegung eine harmonische Schwingung?

Nein. Sie muss auch hin und her gehen, mit einer Kraft zurück zur Mitte, die im gleichen Maß wächst wie der Abstand (F = −kx).

Warum entsteht eine Sinuskurve?

Weil der Schatten einer gleichmäßigen Kreisbewegung A sin(ωt) ist. Der Graph im 3D-Bild wird von der laufenden Kugel gezeichnet.

Was bedeutet das Minus in F = −kx?

Die Kraft zeigt immer entgegengesetzt zur Auslenkung, also zurück zur Mitte. Beobachte, wie der rote Pfeil die Seite wechselt.

Warum bleibt die Kugel nicht in der Mitte stehen, wo die Kraft null ist?

Sie kommt dort mit ihrer höchsten Geschwindigkeit an. Keine Kraft heißt keine Beschleunigung, nicht keine Geschwindigkeit, also schießt sie darüber hinaus.

Was genau ist die Phase?

Der Winkel (ωt + φ). Er sagt, wo der Körper ist und in welche Richtung er sich bewegt. Die gelbe Kugel in Schritt 4 bewegt sich gleich, hat aber eine andere Phase.

Wohin geht die Energie an den Enden?

Sie ist ganz als potenzielle Energie in der Feder gespeichert. Auf dem Rückweg wird sie wieder zu kinetischer Energie.

Periodische Bewegung und Schwingung

Eine Bewegung, die sich nach gleich langen Zeitabständen wiederholt, ist periodisch. Die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne und die Zeiger einer Uhr bewegen sich periodisch.

Bewegt sich der Körper außerdem hin und her um eine Mitte (die Mittellage oder Gleichgewichtslage), nennt man die Bewegung eine Schwingung. Jede Schwingung ist periodisch, aber nicht jede periodische Bewegung ist eine Schwingung (ein Uhrzeiger dreht sich im Kreis, er pendelt nicht hin und her).

Die Auslenkung in Abhängigkeit von der Zeit

Die Auslenkung x sagt, wie weit der Körper von der Mitte entfernt ist, mit Vorzeichen (+ auf der einen Seite, − auf der anderen). Bei der harmonischen Schwingung ändert sich x mit der Zeit wie eine Sinus- (oder Kosinus-)Welle:

x(t) = A sin(ωt + φ)

Sinus und Kosinus sind dieselbe Kurve, nur verschoben. Deshalb ist x = A cos(ωt + φ′) mit einem anderen φ′ genauso richtig.

Harmonische Schwingung, ihre Gleichung und der Referenzkreis

Eine harmonische Schwingung ist eine Hin-und-her-Bewegung, bei der die rücktreibende Kraft (der Zug zurück zur Mitte) proportional zur Auslenkung ist und ihr entgegengesetzt zeigt:

F = −kx  also  a = −ω²x, mit ω = √(k/m).

Das Minus bedeutet: Die Kraft zeigt immer zur Mitte hin. In Differentialform: d²x/dt² + ω²x = 0.

Referenzkreis: Läuft ein Punkt mit gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit ω auf einem Kreis mit Radius A, dann schwingt sein Schatten auf einem Durchmesser harmonisch. Deshalb taucht in der Kreisbewegung und in der Schwingung dasselbe ω auf.

Geschwindigkeit und Beschleunigung

Phase und Phasendifferenz

Der ganze Winkel (ωt + φ) heißt Phase. Sie beschreibt den Zustand der Bewegung: wo der Körper ist und in welche Richtung er sich bewegt.

Zwei Schwingungen mit gleichem ω haben eine Phasendifferenz Δφ. Bei Δφ = 0 bewegen sie sich gemeinsam (in Phase); bei Δφ = π bewegen sie sich immer entgegengesetzt (in Gegenphase). Die Geschwindigkeit eilt der Auslenkung um π/2 voraus, und die Beschleunigung ist um π gegenüber der Auslenkung verschoben.

Energie bei der harmonischen Schwingung

Ein Schwinger tauscht Energie zwischen zwei Formen aus und hält die Summe konstant (ohne Reibung):

Bei x = 0: K = E, U = 0. Bei x = ±A: K = 0, U = E. K = U gilt bei x = A/√2. K und U wiederholen sich in einer Periode zweimal, ihre Periode ist also T/2.

Probier es aus: eine Pendeluhr zu Hause

Binde einen Schlüssel oder einen kleinen Stein an einen 1 m langen Faden und lass ihn leicht schwingen. Miss mit der Stoppuhr deines Handys die Zeit für 20 volle Schwingungen. Teile durch 20 und du erhältst T. Dann berechne f = 1/T. Starte nun mit einem größeren (aber immer noch kleinen) Ausschlag: T ändert sich kaum. Das ist ein Zeichen für eine harmonische Schwingung. Verschiebe im 3D-Bild oben den Regler für A und prüfe, dass auch dort T gleich bleibt.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Ein Pendel macht in 20 s 40 Schwingungen. Bestimme Periode, Frequenz und Kreisfrequenz.

T = 20/40 = 0.5 s. f = 1/T = 2 Hz. ω = 2πf = 4π ≈ 12.6 rad/s.

2. x = 0.05 sin(10πt + π/6) m. Bestimme Amplitude, Frequenz, Periode und Anfangsphase.

Vergleich mit x = A sin(ωt + φ): A = 0.05 m, ω = 10π rad/s, also f = ω/2π = 5 Hz, T = 0.2 s, φ = π/6.

3. Ein Körper schwingt harmonisch mit A = 4 cm und T = 2 s. Bestimme die maximale Geschwindigkeit und die maximale Beschleunigung.

ω = 2π/T = π rad/s. v_max = Aω = 0.04 × π ≈ 0.126 m/s. a_max = Aω² = 0.04 × π² ≈ 0.395 m/s².

4. Bestimme für den Körper aus dem letzten Beispiel die Geschwindigkeit bei x = 2 cm.

v = ω√(A² − x²) = π√(0.04² − 0.02²) = π√(0.0012) ≈ π × 0.0346 ≈ 0.109 m/s.

5. Eine Masse von 0.2 kg schwingt harmonisch mit ω = 5 rad/s und A = 0.1 m. Bestimme die Gesamtenergie und die kinetische Energie bei x = 0.06 m.

k = mω² = 0.2 × 25 = 5 N/m. E = ½kA² = ½ × 5 × 0.01 = 0.025 J. U = ½ × 5 × 0.0036 = 0.009 J, also K = 0.025 − 0.009 = 0.016 J.

6. Bei welcher Auslenkung ist die kinetische Energie gleich der potenziellen Energie?

K = U heißt ½k(A² − x²) = ½kx², also A² = 2x² und x = ±A/√2 ≈ ±0.71A.

7. Zwei Schwingungen: x₁ = 3 sin(ωt) und x₂ = 3 cos(ωt). Bestimme die Phasendifferenz.

cos(ωt) = sin(ωt + π/2), also eilt x₂ der Schwingung x₁ um π/2 (90°) voraus. Wenn die eine in der Mitte ist, ist die andere an einem Umkehrpunkt.

8. Welche davon ist eine harmonische Schwingung: (a) a = −9x, (b) a = −9x², (c) a = 9x?

Nur (a): Die Beschleunigung ist proportional zu x und ihm entgegengesetzt; ω = √9 = 3 rad/s, T = 2π/3 s. Bei (b) ist sie nicht proportional zu x, bei (c) zeigt sie von der Mitte weg.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Bei der harmonischen Schwingung ist die rücktreibende Kraft:
2. Wenn T = 0.25 s, ist die Frequenz:
3. Die Geschwindigkeit ist bei der harmonischen Schwingung am größten:
4. Die Gesamtenergie eines Federschwingers ist:
5. Die Phasendifferenz zwischen Auslenkung und Beschleunigung ist bei der harmonischen Schwingung:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist eine harmonische Schwingung in einfachen Worten?

Eine Hin-und-her-Bewegung, bei der der Zug zurück zur Mitte im gleichen Verhältnis wächst wie der Abstand von der Mitte: F = −kx.

Wie lautet die Gleichung der harmonischen Schwingung?

x = A sin(ωt + φ), oder in Beschleunigungsform a = −ω²x.

Bleibt bei der harmonischen Schwingung die Energie erhalten?

Ja, ohne Reibung bleibt die Gesamtenergie ½kA² konstant, während kinetische und potenzielle Energie sich abwechseln.

Wo das unterrichtet wird

PolandSzkoła podstawowa, klasa VIIIOscillations and waves
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIOscillations
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIOscillations
RomaniaClasa a XI-aMechanical oscillations and waves
RomaniaClasa a XI-aMechanical oscillations and waves
Ukraine10 класMechanics
Ukraine10 класMechanics
CBSE (India)Class 11Oscillations and Waves
England (GCSE, A level)Year 133.6 Further mechanics and thermal physics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Oscillations
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Oscillations
Japan高校2年Various motions
South Korea고등학교 2학년Elastic waves and sound
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 11Oscillations and waves
FranceTerminaleLab sciences: Waves
Russia11 классMechanical oscillations
Russia11 классOscillations and waves
China高二Selective 1 Ch.2 Oscillations

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