So kann man drei Grundtypen von Bewegungsarten, wenn man nur den Körper selbst betrachtet, unterscheiden: Translation (geradlinige Bewegung durch einen Raum), Rotation (Drehbewegung) und Oszillation (Schwingung).
Eine Translation ist eine Bewegung eines Körpers, bei der sich alle (Masse)punkte des bewegten Körpers in dieselbe Richtung bewegen (parallel zueinander). Ein Körper besitzt in einem Raum drei Freiheitsgrade der Translation (x-,y- und z-Richtung).
Eine Rotation eines Körpers ist definiert als die Bewegung eines Punktes oder Körpers um eine Rotationsachse.
Unter Oszillation versteht man generell Schwingungsbewegungen eines Körpers, meist bedeutet es eine Bewegung um einen Ruhepunkt. Da der Begriff aber in vielen anderen Fächern neben Physik verwendet wird, kann der Begriff neben Schwingungsbewegungen eines Körpers mehr Bedeutungen besitzen.
Man unterscheidet dabei
Bevor man sich mit der Schwingung in der Mechanik befasst, sollte man einmal Schwingung allgemein definieren (zumindest für das Fach Physik). Unter Schwingung versteht man in der Physik eine zeitlich periodische Änderung einer physikalischen Größe oder eines physikalischen Zustandes (diese Definition enthält auch z.B. eine periodische Änderung der Spannung bei Wechselstrom)
In der Mechanik wird der Begriff “Schwingung” noch erweitert, so sind Schwingungen periodische Vorgänge, bei denen sich ein Körper zeitlich periodisch um eine Ruhelage (Gleichgewichtslage, Nulllage) bewegen, wobei sich hier ebenfalls verschiedene physikalische Größen periodisch ändern (wie bei der allgemeinen Definitionen in Physik).
Für beide Schwingungsarten (gedämpft und ungedämpft) gilt: Definitionsgemäß heißt eine Schwingung harmonisch, wenn die Rückstellkraft proportional zur Auslenkung aus der Ruhelage ist.
Eine ungedämpfte Schwingung erkennt man (als erstes daran), dass die Zeitabhängigkeit des physikalischen Zustandes sinus- bzw. cosinusförmig ist (d.h. der Graph im Weg-Zeit-Diagramm ist sinusförmig, die Amplituden = max. Auslenkung der Schwingung ist immer gleich groß), bei der gedämpfte Schwingung ist das Weg-Zeit-Diagramm nicht sinusförmig.
In der Mechanik liegt fast immer eine gedämpfte Schwingung vor, da stets Reibung auftritt und durch Reibung ein Teil der mechanischen Energie in thermische Energie umgewandelt und so die volle Schwingung aufgrund des Verlusts an mechanischer Energie nicht mehr ausgeführt werden kann. Will man aber doch eine ungedämpfte Schwingung haben, so muss die (mechanische) Energie periodisch wieder zugeführt werden, die durch die Reibung von mechanischer in thermische Energie umgewandelt und so “verloren” wurde.
Im Bereich der Mechanik verwendet man immer gerne die Newton´schen Gesetze. Da in der Definition die Wörter “Körper” (also etwas mit Masse m) und “Rückstellkraft” (also etwas mit Kraft) auftauchen verwendet man das Newton´sche Gesetz, dass Kraft und Beschleunigung über die Masse in Relation setzt (F = m·a). Weiterhin ist bekannt, dass Beschleunigung a die zweite Ableitung des Weges s bzw x (nach der Zeit t) ist (a = x´´). Fügt man diese beiden “Gesetze” zusammen, erhält man: F = m·x´´.
Der nächste Schritt ist etwas schwieriger, und benötigt einiges an Vorwissen (Newton´sche Gesetze, Lösung von Differentialgleichungen .. u.s.w)
Wir in der obigen Formel gesehen, sucht man jetzt eine (Differential)gleichung, bei der die zweite Ableitung (m·a =m·x´´)mit der Ausgangsfunkion übereinstimmt (ohne Berücksichtigung eines Vorzeichens). Zusätzlich gilt, dass zum Zeitpunkt t0 = 0 die Auslenkung maximal ist (sonst würde z.B. ein Pendel auch nicht funktionieren, die max. Auslenkung wird als Amplitude bezeichnet und mit A abgekürzt). Als Ergebnis erhält man die Funktion A·sin(w ·t). Um nun die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung zu berechnen, muss man nun einfach einmal (für die Geschwindigkeit) und zweimal (für die Beschleunigung) ableiten.
Bisher ist nur der ungedämpfte Zustand hergeleitet worden, nun soll der gedämpfte Zustand hergeleitet werden. Dies ist aber relativ einfach, da die meisten gedämpften Schwingungen man mit Hilfe eines Abklingkoeffizienten aus der ungedämpften Schwingung herleiten kann. Der Abklingkoeffizient gibt dabei an, wie stark die Schwingung gedämpft wird. Der Abklingkoeffizient k ist abhängig von der Zeit t (mit der Zeit wird die Schwingung immer stärker gedämpft) uns sorgt dafür, dass der Wert der Amplitude immer kleiner wird. Damit der fehlende Ausdruck hergeleitet werden kann, würde hier auch viel math. Wissen benötigt, daher sei er hier als gegeben angenommen: A·e-kt.
Formeln bei der gedämpften, harmonischen Schwingung:
Der Abklingkoeffizient k berechnet sich nun aus: k = [- ln (A t : A 0 )] : t
Hat man keine Amplitude A zum Zeitpunkt t = 0 (manchmal schlecht zu messen), kann man auch jede beliebige Amplitude verwenden. Dazu benötigt man wieder zwei Wertepaar A1, t1 und A2, t2 wobei gilt t2 > t1 .
Der Abklingkoeffizient k berechnet sich nun aus: k = [- ln (A1 : A2 )] : (t1 – t2 )
Eine harmonische Schwingung ist eine periodische Schwingung, die durch eine Sinus- oder Kosinusfunktion beschrieben wird. Sie zeichnet sich durch eine konstante Frequenz und Amplitude aus.
Eine harmonische Schwingung hat eine konstante Frequenz und Amplitude. Sie wird durch eine Sinus- oder Kosinusfunktion beschrieben und ist periodisch.
Die Amplitude einer harmonischen Schwingung ist der größte Betrag eines Ausschlags von der Ruhelage. Sie ist also der maximale Abstand, den die schwingende Masse von ihrer Ausgangsposition erreicht.
Die Frequenz einer harmonischen Schwingung ist die Anzahl der vollständig durchlaufenen Perioden pro Zeiteinheit. Sie wird in Hertz gemessen.
Die Periode einer harmonischen Schwingung entspricht der Zeit, die für einen vollständigen Zyklus der Schwingung benötigt wird.
Die Frequenz einer harmonischen Schwingung errechnet sich als Kehrwert der Periodendauer. Also f = 1/T, wo T die Periode ist.
Die Phasenverschiebung bei harmonischen Schwingungen beschreibt den Unterschied in der Phase zwischen zwei Schwingungen gleicher Frequenz.
Die Schwingungsgleichung für eine harmonische Schwingung lautet y(t) = A*cos(wt + Φ), wobei A die Amplitude, ω die Kreisfrequenz und Φ die Phasenverschiebung ist.
Die Kreisfrequenz ω einer harmonischen Schwingung ist das Produkt aus der Frequenz f und 2π. Sie wird in Radiant pro Sekunde angegeben und beschreibt die Geschwindigkeit der Schwingung.
Wenn sich zwei harmonische Schwingungen überlagern, bildet sich eine neue Schwingung, die als Superposition bekannt ist. Die Amplitude dieser Schwingung ist die Summe der Amplituden der beiden ursprünglichen Schwingungen.