Sh Schwingungen und dwll Wellen - Einleitung

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1 Physk A VL (3.. Schwngungn g und Wlln I - Enlung Sh Schwngungn und dwll Wlln - Enlung Ekus: Kompl Zahln Schwngungsglchungn D Eng von Schwngungn

2 Schwngungn und Wlln Enlung Schwngungn n n vln vschdnn physkalschn Suaonn auf D Snn von Lbwsn agn bsonds auf Schwngungn n h Umwl: das Ghö mpfäng Schallwlln das Aug mpfäng Lchwlln Bsh n d Volsung bach Schwngungn: Pndlschwngungn ( Foucaul-Pndl Schwngungn von Aomn n nm Fsköp ( Dfombak von Fsköpn Schwngungn m wn Vlauf d Volsung: Schwngungn g von lkschn Ladungn n nm Schwngks bw. gnll Thmngb Elkodynamk gsam Bch d Wllnopk

3 Schwngungn und Wlln Sh Schwngungn En schwngungsfähgs Objk bs n Ruhlag, um d s schwngn kann, wnn Eng ugfüh wd (.B. duch Ansoßn Osllao Bwgung ds Objks wdhol sch Schwngungn snd lokal podsch Bwgungn um n Glchgwchslag podsch Bwgung nfachs Osllaon: An von Pndln: Pndl Gavaonspndl Kuglpndl Fdpndl Roaonspndl Bchnungn d Pndlbwgung: hamonsch Schwngung, podsch Schwngung, gdämpf Schwngung, wungn Schwngung, Rsonan, apodsch Gnfall 3

4 Schwngungn und Wlln Wll Wlln Schwngungn, d usälch hn O ändn, snd Wlln Wlln snd lch und ölch podsch Vogäng Bspl fü Wlln Wasswlln akussch Wlln Lchwlln (lkomagnsch Wlln... Wlln könnn m und ohn Täg übagn wdn: Schall- und Wasswlln bw. Lch 4

5 Schwngungn und Wlln Dfnon von Schwngungn n allgmn podsch Vogang kann duch folgnd Paam bschbn wdn: ( D Schwngungsdau T D Amplud D Phas ϕ π D Ksfqun ω T φ T podsch Vogäng snd aus Snusschwngungn usammngs nfachs Fall: nu n Snusschwngung hamonsch Schwngung sn( ω + ( ϕ Sysm, d hamonsch Schwngungn aus- fühn, wdn als hamonsch Osllaon bchn 5

6 Schwngungn und Wlln Dfnon von Schwngungn Bspl: Fdpndl ohn Bückschgung d Gavaon Zusammnhang wschn Pndlbwgung und hamonsch Schwngung ( sn( ( ω + ( ϕ Z Sysm, d hamonsch Schwngungn aus- fühn, wdn als hamonsch Osllaon bchn 6

7 Schwngungn und Wlln Dfnon von Schwngungn Bspl: Fdpndl ohn Bückschgung d Gavaon Schwngung Auslnkung um Ruhlag, Fdkaf wk als Rücksllkaf Kaf: F D Dhnung F < Glh Glchgwch h(rhl (Ruhlag F Kompsson - F > 7

8 Schwngungn und Wlln Dfnon von Schwngungn - Dffnalglchung llh Bspl: Fdpndl ohn Bückschgung d Gavaon D Auslnkung d Fd aus d Ruhlag ug n Rücksllkaf Fdpndl podsch Bwgung Fdkaf ug Bschlungung F D F D m a D m & F m & D m D ω && + ω m Dffnalglchung d hamonschn Schwngung (h: ds Fdpndls 8

9 Schwngungn und Wlln Dfnon von Schwngungn - Dffnalglchung llh Bspl: Fdpndl ohn Bückschgung d Gavaon Ekus: W lös man n Dffnalglchung? Lösungsansa podsch Lösung: Snus- od Kosnusfunkon. Lösungsansa: Duch Ran - s wd n Funkon ( gsuch, dn w Ablung bs auf n Konsan wd d Funkon gb ( sn( ( cos( & ( cos( od & ( sn( && ( sn( && ( cos( K - K -. Übpüfn duch Ensn n d Dffnalglchung gan Lösung d DGL: gb d Dffnalglchung: g ( sn( ω + ϕ & ( ω cos( ω + ϕ ( ϕ & & ( ω sn( ω + ϕ & ( ω ( bw. & ( + ω ( 9

10 Dfnon von Schwngungn Schwngungn und Wlln Bspl: Gwchsmssung ns Asonaun m Raumschff Poblm: Schwlosgk! Mass nch nfach duch Wgn bsmmba Lösung: Mssung n nm spllm Msssuhl, d n Osllaonn vs wd Bchnung d Mass aus d Osllaonsfqun Bsplchnung: Das Gä ha n Fdkonsan D 66 N/m, d Suhl n Gwch von kg, D gmssn Osllaonspod s,4 s. W schw s d Asonau? D ω π DT T m m 4π (66 Nm - (,4s 89, kg 4π m Asonau m m Suhl ( 89,, kg 77, kg

11 Ekus: Kompl Zahln Fag: Was snd kompl Zahln? Schwngungn und Wlln Poblm: D Glchung kann duch l Zahln nch glös wdn! Lonhad Eul ( füh u Lösung ds Glchung d magnä Zahl n: Lonhad Eul ( Dfnon: n kompl Zahl s d Lna-Kombnaon aus lln und magnän Zahln Rall von + y Imagnäl von

12 Ekus: Kompl Zahln Schwngungn und Wlln Fag: W kann man sch kompl Zahln voslln? Cal Fdch Gauß ( nach Cal-Fdch Gauß (83: kompl Zahln + y könnn als Punk n nm Koodnansysm, dass duch d Koodnan (, y gbld wd, angshn wdn ll Achs, Enh: magnä Achs y, Enh: Im Im( snϕ Jd kompl Zahl kann n d Fom φ R( cosϕ R( + Im( + y (cosϕ + snϕ R dagsll wdn.

13 Ekus: Kompl Zahln Schwngungn und Wlln Fag: W shn kompl Zahln und and Funkonn n Zusammnhang? d Eul sch Glchung vknüpf d Eponnalfunkon m dn gonomschn Funkonn ϕ p( ϕ cosϕ + snϕ m R( + Im( (cosϕ + snϕ Lonhad Eul ( ϕ D gonomsch Funkonn wdn duch Eponnalfunkonn s D Addonshom fü sn und cos nfalln Lösungn wdn vnfach m kompln Zahln und d Eul schn Glchung könnn vl mahmasch Poblm vnfach glös wdn 3

14 Ekus: Kompl Zahln Schwngungn und Wlln D kompl Zahlnbn ϕ k π, k ungad kπ Im ( φ ϕ π π ϕϕ R ( ϕ 3π 3 π ϕ k π kπ ( ( k + π 4

15 Schwngungn und Wlln E k K l Z hl Ekus: Kompl Zahln Rchngln fü kompl Zahln - Bspl Addon & Subakon ( ( y y + ± + ± ± ϕ ϕ ( ( y y ± + ± Mulplkaon ( ϕ ϕ ϕ ϕ + Dvson ϕ ϕ ( ϕ ϕ 5

16 Sh Schwngungsglchungn lh l Glchung fü Schwngungn Schwngungn und Wlln ( sn( ω + ϕ ( ϕ od allgmn ( Acos( ω + B sn( ω kompl Dasllung von Schwngungn ( && ( & ( ω ( ω +ϕ ( ω + ϕ ( ω + ϕ ( ω ω kompl Dffnalglchung fü Schwngungn ( && ( + ω ( Folgung aus kompl Dasllung: Bschbung d Schwngung kann m Snus- od Kosnusfunkon folgn 6

17 Sh Schwngungsglchungn lh Anfangsbdngungn: Schwngungn und Wlln Pndl wd nu ausglnk, s ab n Ruh: ma g Gschwndgk glch Null: v Funkon: sn(w+φ ( ; & ( v( ( π (b Ansa m ϕ cos-funkon: φ &( v &( allgmn Ansa: ( Acos( ω + B sn( ω v cos( ω sn( ω A, B ( ( cos( ω 7

18 D Eng von Schwngungn Schwngungn und Wlln bm Ansoßn häl n Fdpndl Spannng (allgmn: ponll Eng b d Osllaon wd d ponll n knsch Eng umgwandl, danach wd n Spannng (ponll Eng Engblan: W W Spann + Wkn D Ensn von sn( ω + und & ω cos( ω + W W W Spann W kn W Spann ( ϕ D m& + W kn D sn ( ω + +ϕ m ω cos ( ω + ϕ WSpann W kn mv m& ( ϕ ω D sn ( ω + ϕ + mω cos( ω + ϕ D (sn ( ω + ϕ + cos( ω + ϕ sn α + cos α D D Gsamng d ungdämpfn Schwngung s popoonal um Ampludnquada 8 D m ω D m

19 D Eng von Schwngungn Folgungn aus d Engblan Schwngungn und Wlln sowohl d knsch als auch d ponll Eng oslln: s duchlaufn W wschn Null und nm Mamum bd Engn hängn vom W d Mamalamplud ab: d Gsamng wd duch d Anfangsauslnkung gbsmm knsch Eng häng auch von d Schwngungsfqun ab knsch Eng ch h Mamum, wnn d ponll Eng h Mnmum ch hund umgkh. kh cos( ω + ϕ ( ( ϕ π W W Spann + W kn W W Spann D cos ( ω W W kn m ω sn ( ω 9

20 Schwngungn und Wlln Mahmaschs h Pndl - Fadnpndl d punkfömg Mass schwng an (masslosm Fadn Rücksllkaf duch Gwchskaf: F Rück mg snα Täghskaf: F Tägh ma m& Käfglchgwch: F Rück F Tägh Dffnalglchung: + g sn α m α l & & & α l + g sn α && & + g sn l Vglch m Fdpndl: D & & + m

21 Schwngungn und Wlln Mahmaschs h Pndl - Fadnpndl d punkfömg Mass schwng an (masslosm Fadn fü kln Wnkl kln Schwngungsamplud gl: && + g sn l snα α & + g l Dffnalglchung ds mahmaschn Pndls: g od && α + sn α l sn α α (Kl k l (Klnwnkl- Nähung m g ω & + ω l & od α& & + ω α Schwngungsdau: T π π ω l g Pndl u Bsmmung von Zsqunn nuba: Skundnpndl Podndau s popoonal u Wul d Fadnläng

22 Schwngungn und Wlln Physkalschs h Pndl n sa Köp wd außhalb sns Schwpunks - m Absand d vom Schwpunk - aufghäng h: Bachung d jwlgn Dhmomn Rückslldhmomn: T Rück m g d snϕ Täghsdhmomn: T Täh Tägh J ϕ& & ϕ mgd Dffnalglchung: && ϕ + sn ϕ J kln Schwngungsamplud: (Klnwnkl-Nähung mgd && ϕ + ϕ J mgd ω ϕ& & ϕ + ω J ϕ

23 Zusammnfassung Hamonsch Schwngungn Schwngungn snd lokal podsch Bwgungn um n Glchgwchslag podsch Vogäng snd aus Snusschwngungn usammngs nfachs Fall: nu n Snusschwngung hamonsch Schwngung ( sn( ω + ϕ Dffnalglchung d hamonschn Schwngung Fdpndl && + ω ω D m mahmaschs Pndl (kln Auslnkungn α& & + ω α ω g l physkalschs Pndl ϕ& & + ω ϕ ω mgd J 3

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