Erklärung — die Schwingungsdauer der Feder
Die Schwingungsdauer
Die Federkraft erfüllt das lineare Kraftgesetz \(F=-D\cdot y\) (4.1.2) — eine Masse \(m\) an einer Feder mit der Federhärte \(D\) schwingt also harmonisch. Ihre Schwingungsdauer folgt Schritt für Schritt:
Herleitung:
- Newton:\(m\cdot a=-D\cdot y\) (Grundgleichung der Mechanik mit der Federkraft)
- Zeiger (4.1.3):die Projektion der Zeigerspitze liefert \(a=-\omega^{2}\cdot y\)
\(T=2\pi\sqrt{\dfrac{m}{D}}\)
m: Masse (kg), D: Federhärte (N/m), T: Schwingungsdauer (s)
Masse und Federhärte bestimmen die Schwingungsdauer. Die Animation zeigt das Schwingen, Periodendauer und Frequenz werden mit \(T=2\pi\sqrt{m/D}\) berechnet.
Daraus liest man ab:
- Größere Masse → größeres T:Eine schwere Masse ist träger und schwingt langsamer.
- Härtere Feder (großes D) → kleineres T:Eine straffe Feder treibt stärker zurück und schwingt schneller.
- Die Amplitude kommt nicht vor:Ob klein oder groß ausgelenkt — die Schwingungsdauer bleibt gleich.
Schwingungsdauer berechnen
Eine Masse \(m=0{,}20\,\mathrm{kg}\) hängt an einer Feder mit \(D=20\,\tfrac{\mathrm N}{\mathrm m}\). Wie groß ist die Schwingungsdauer?
Allgemeine Hinweise
Einheiten
m in kg, D in N/m — dann kommt T in Sekunden heraus.
Wurzel
Erst m/D ausrechnen, dann Wurzel, dann mal \(2\pi\).
Hängende Feder
Die Gewichtskraft verschiebt nur die Ruhelage nach unten — T bleibt \(2\pi\sqrt{m/D}\).
