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Grundlegende Begriffe
Weitere Hinweise...:
- ... für ein möglichst dämpfungsfreies Schwingen des Pendels bei ausgeschalteter Wirbelstrombremse:
Damit der Pendelkörper bei abgeschalteter Wirbelstrombremse eine möglichst reibungsfreie und damit nur sehr schwach gedämpfte Schwingung ausführen kann, bewegt er sich in einem engen Kanal entlang eines Luftkissens auf und ab.
- ... zur Registrierung des jeweiligen Ortes von Resonator und Erreger:
Aus Platzgründen wurden zwei unterschiedliche Verfahren angewendet: Die Bewegung des oben angebrachten Exzenters erfolgt mit Hilfe des Bewegungsmesswandlers, der über ein Gestänge und einen leicht beschwerten Faden ganz unten im Aufbau angetrieben wird, wobei der Faden den Bewegungsmesswandler antreibt. Die Bewegung des Pendelkörpers wird von oben mittels Laser-Bewegungssensors registriert.
- Wie Sie vielleicht in Realversuchen im Unterricht gesehen haben, neigt eine Masse an einer Schraubenfeder zu Torsionsschwingungen (Verdrehungen). Das Entstehen einer solchen hier unerwünschten Torsionsschwingung wird bei der hier verwendeten Schraubenfeder vollständig vermieden, indem die Schraubenfeder aus zwei identischen, aber gegensinnigen Teilwicklungen zusammengesetzt wurde (Foto der Verbindung beider Teile).
Hinweis: Eine erwünschte Schraubenfeder-Torsionsschwingung können Sie in diesem Video sehen.
Einige Detailfotos:
- Das erste Foto zeigt, am oberen Rand noch soeben zu erkennen, das untere Ende der Schraubenfeder, es folgt der daran hängende metallische Pendelköper, dessen Dämpfung mittels Wirbelstrombremse reguliert werden kann. Über ein kleines Gestänge wird die Bewegung des exzentrisch geführten Erregers (oben außerhalb des Fotos, siehe nachfolgendes Bild) auf einen unten durch ein kleines Gewichtsstück beschwerten Faden übertragen, der das Rädchen eines Bewegungsmesswandlers antreibt, mit dem die Elongation des Erregers $s_{Err}(t)$ registriert werden kann.
Exzenter mit darüber angebrachtem Laser-Bewegungssensor:
- Reflektor-Folie auf dem Pendelkörper für den oberhalb des Bildes angebrachten Laser-Bewegungssensor, der die Position des Resonators und damit dessen $s_{Res}(t)$-Diagramm ermittelt:
Eine Wirbelstrombremse erzeugt auf elektrisch-magnetischen Weg eine bremsende Kraft ohne direkte mechanische Berührung des zu bremsenden Gegenstands. Der Gegenstand muss dazu (teilweise) aus elektrisch leitfähigen Materialien bestehen.
- Auf dem Monitor können die $s(t)$-Schwingungskurven des Pendels und des Erregers angezeigt werden, dort kann auch die eingestellte Erregerfrequenz (in roter Schrift) abgelesen werden (der vergrößerbare Drehregler des zugehörigen Netzgerätes zeigt lediglich willkürliche Einheiten). Messlinien für die Bestimmung von Amplitude und Schwingungsdauer sind einblendbar. Anklicken des entsprechenden Symbols liefert eine Vergrößerung des Monitorbildes.
- Eine Dämpfung ist, falls erwünscht, über eine regelbare Wirbelstrombremse einstellbar.
- Die Erregerfrequenz - sie wird erst später bei den erzwungenen Schwingungen benötigt - wird über das Steuergerät eines Motors in einem gewissen Intervallbereich eingestellt. Das Steuergerät muss vorher über den Kippschalter in der rechten Mitte des Bedienpanels eingeschaltet werden.
- Öffnen Sie auf jeden Fall einmal die Zusatzerläuterung mit Hilfe des "Plus"-Symbols unten rechts unter dem IBE.
Stoppuhr ein- / ausblenden
Der Pendelkörper kann "angefasst", ausgelenkt und wieder losgelassen werden.
Beobachten Sie seine Bewegung nach dem Loslassen um seine Ruhelage und verfolgen Sie sie über mehrere Perioden. Schalten Sie dabei noch keine Dämpfung hinzu.
Messen Sie die Schwingungsdauer mit der einblendbaren Stoppuhr, indem Sie für 10 volle Schwingungen die zugehörige Zeitdauer ermitten. Lassen Sie sich dazu auch die vergrößerte Darstellung des schwingenden Pendelkörpers mitsamt Skala anzeigen.
(Hinweis zur Verwendung älterer Endgeräte)
Begründen Sie, warum es sinnvoll ist, das Passieren der Ruhelage (Nulldurchgang) des Pendelkörpers als Startzeitpunkt zu wählen. Denken Sie beim Starten der Stoppuhr daran, die Zählung der Perioden mit "Null" zu beginnen.
Unter der Schwingungsdauer $T$ eines Pendels versteht man die Dauer einer (einzigen) Schwingung, also eines Hin und Her des Pendels. Gemeint ist nicht die Dauer, bis das Pendel zum Stillstand kommt.
Schalten Sie eine nicht allzu große Dämpfung durch Einschalten der Wirbelstrombremse hinzu und versetzen Sie das Pendel wieder in Schwingungen. Vergrößern Sie anschließend die Dämpfung immer mehr, bis der Pendelkörper nach dem Auslenken keinerlei Schwingung mehr ausführt.
Bestimmen Sie diejenige Stromstärke durch die Wirbelstrombremse, ab der es nach dem Auslenken des Pendelkörpers zu keiner Schwingung mehr kommt, der Pendelkörper also in seine Ruhelage lediglich zurück "kriecht".
Schalten Sie den Motor für den Exzenter ein und beobachten Sie am oberen Ende des Federpendels, wie ihm die Bewegungen des Exzenters aufgezwungen werden. Variieren Sie die Frequenz des Erregers (Exzenter) und verfolgen Sie die Reaktion des Resonators (Pendelkörper am Federpendel). Verändern Sie dabei auch die Dämpfung durch die Wirbelstrombremse. Warten Sie nach einer Veränderung jeweils hinreichend lange, bis Sie sicher sind, dass der jeweils einsetzende Einschwingvorgang tatsächlich abgeschlossen ist.
Notieren Sie Ihre Beobachtung zur Schwingungsfrequenz des Resonators.
Bis ein ruhendes oder bereits gleichmäßig schwingendes Pendel einen neuen stationären (i. e. gleichmäßigen) Schwingungszustand eingenommen hat, wird je nach vorhandener Dämpfung eine bestimmte Zeitspanne benötigt, in der es scheinbar unkontrollierte, unregelmäßige Schwingungen ausführt.
Für die folgenden tet.folio-Seiten und die dortigen Untersuchungen wird es immer wieder wichtig sein, die Zeit-Weg-Diagramme für den Resonator und für den Erreger auszuwerten, wenn diesen Diagrammen die Schwingungsdauern bzw. die Frequenzen sowie die Amplituden entnommen werden müssen.
Blenden Sie Resonator- und Erregerdiagramm (beispielsweise für einen Dämpfungsstrom $I=0.60 A$ und eine Erregerfrequenz mit der Einstellung 80) ein und entnehmen Sie beiden die Amplituden der Schwingungen sowie Schwingungsdauern bzw. Frequenzen.
Lassen SIe sich das Zeit-Weg-Diagramm für den Pendelkörper anzeigen und entnehmen Sie ihm zum Vergleich ebenfalls die Schwingungsdauer. Beobachten Sie auch die langsam abnehmenden Amplituden der Schwingung.
Verwenden Sie dazu die einblendbaren Hilfslinien und verändern Sie ggf. auch die Achsenskalierung.
Unter der Amplitude einer Schwingung versteht man die größtmögliche Auslenkung des Pendels während einer vollen Periode, also während eines vollständigen Hin und Her des Pendels.
Diagrammachsen
skalierbar
Wirbelstrom-bremse
Steuergerät für Einstellung der Exzenterfrequenz
Definition:
Als Schwingungen bezeichnet man ganz allgemein solche Vorgänge, bei denen ein sog. Oszillator periodische Hin- und Her-Bewegungen ausführt. Im mechanischen Fall beschreibt seine zeitlich veränderliche Position in einem Zeit-Auslenkungsdiagramm, auch Zeit-Elongationsdiagramm genannt, einen Verlauf, der mehr oder weniger regelmäßig immer wieder zu einer Ruhelage hin tendiert.
Beispiele:
Aus dem Bereich der Mechanik gibt es viele, auch leicht zu demonstrierende Vorgänge: Faden- und Federpendel, Drehpendel, Wasser in einem U-Rohr, in Wasser eintauchender Trichter, Blattfeder, schwingende Luftsäule, Kugel in einer Schüssel, ... Aber auch aus anderen Bereichen der Physik sind Schwingungen bekannt, beispielsweise in der Akustik (Resonanz) und in der Elektrik bei Schwingkreisen aus Spulen und Kondensatoren.
Mit dem reibungsarm gelagerten Federpendel (Luftkissen in einem Führungskanal) lassen sich freie und erzwun-gene Schwingungen untersuchen. An ihm sollen zunächst auch weitere wichtige Größen beschrieben werden.
Vorbemerkung:
Diese Seite soll zunächst einmal kurz die wichtigsten Fachbegriffe vorstellen, die in Verbindung mit mechanischen Schwingungen auftauchen und später vertieft werden. Dies geschieht anhand eines IBE, mit dem gleichermaßen freie und erzwungene Schwingungen untersucht werden können und das an verschiedenen Stellen im gesamten Kapitel über mechanische Schwingungen immer wieder vorkommen wird.
Sie müssen sich zum Verständnis der weiteren Seiten zu den mechanischen Schwingungen nicht notwendigerweise alle Details auf dieser Seite erarbeiten. Sie verdeutlichen aber vorab schon einmal in der Übersicht die Optionen und Bedienmöglichkeiten des IBE in zusammenfassender Weise. "Spielen" Sie ruhig einfach ein wenig mit dem Gerät des IBE!
