Oszillation und periodische Bewegung in der Physik

Oszillation bezieht sich auf die wiederholte Hin- und Herbewegung von etwas zwischen zwei Positionen oder Zuständen. Eine Schwingung kann eine periodische Bewegung sein, die sich in einem regelmäßigen Zyklus wiederholt, z. B. eine Sinuswelle - eine Welle mit ständiger Bewegung wie beim Pendeln von Seite zu Seite oder die Auf- und Abbewegung einer Feder mit einem Gewicht. Eine oszillierende Bewegung findet um einen Gleichgewichtspunkt oder Mittelwert statt. Es ist auch als periodische Bewegung bekannt.

Eine einzelne Schwingung ist eine vollständige Bewegung, ob auf und ab oder seitlich über einen bestimmten Zeitraum.

Oszillatoren

Ein Oszillator ist ein Gerät, das sich um einen Gleichgewichtspunkt bewegt. Bei einer Pendeluhr ändert sich mit jedem Schwung die potentielle Energie in kinetische Energie. Am oberen Ende des Schwungs ist die potentielle Energie maximal und diese Energie wird beim Fallen in kinetische Energie umgewandelt und auf die andere Seite zurückgetrieben. Jetzt, wieder oben, ist die kinetische Energie auf Null gefallen und die potentielle Energie ist wieder hoch, was den Rückschlag antreibt. Die Frequenz des Schwungs wird über Zahnräder übersetzt, um die Zeit zu markieren. Ein Pendel verliert mit der Zeit Energie durch Reibung, wenn die Uhr nicht durch eine Feder korrigiert wird. Moderne Zeitmesser nutzen die Schwingungen von Quarzen und elektronischen Oszillatoren und nicht die Bewegung von Pendeln.

Oszillierende Bewegung

Eine oszillierende Bewegung in einem mechanischen System schwingt von Seite zu Seite. Es kann durch einen Kegel-und-Schlitz in eine Drehbewegung (Drehen in einem Kreis) umgewandelt werden. Die Drehbewegung kann auf dieselbe Weise in eine oszillierende Bewegung geändert werden.

Oszillierende Systeme

Ein oszillierendes System ist ein Objekt, das sich hin und her bewegt und nach einer gewissen Zeit immer wieder in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Im Gleichgewichtspunkt wirken keine Nettokräfte auf das Objekt. Dies ist der Punkt in der Pendelschwingung, wenn sie sich in vertikaler Position befindet. Auf das Objekt wirkt eine konstante Kraft oder eine Rückstellkraft, um die oszillierende Bewegung zu erzeugen.

Variablen der Schwingung

• Amplitude ist die maximale Verschiebung vom Gleichgewichtspunkt. Schwingt ein Pendel vor Beginn seiner Rückfahrt einen Zentimeter vom Gleichgewichtspunkt entfernt, beträgt die Schwingungsamplitude einen Zentimeter.
• Zeitraum Dies ist die Zeit, die für eine vollständige Hin- und Rückfahrt des Objekts bis zu seiner ursprünglichen Position benötigt wird. Wenn ein Pendel rechts startet und eine Sekunde benötigt, um sich ganz nach links zu bewegen, und eine weitere Sekunde, um nach rechts zurückzukehren, beträgt seine Periode zwei Sekunden. Die Periode wird normalerweise in Sekunden gemessen.
• Frequenz ist die Anzahl der Zyklen pro Zeiteinheit. Die Häufigkeit ist gleich eins geteilt durch die Periode. Die Frequenz wird in Hertz oder Zyklen pro Sekunde gemessen.

Einfache harmonische Bewegung

Die Bewegung eines einfachen harmonischen Schwingsystems - wenn die Rückstellkraft direkt proportional zu der der Verschiebung ist und in die der Verschiebung entgegengesetzte Richtung wirkt - kann unter Verwendung von Sinus- und Cosinusfunktionen beschrieben werden. Ein Beispiel ist ein an einer Feder befestigtes Gewicht. Wenn das Gewicht ruht, ist es im Gleichgewicht. Wenn das Gewicht nach unten gezogen wird, wirkt eine Nettorückstellkraft auf die Masse (potentielle Energie). Wenn es freigesetzt wird, gewinnt es an Schwung (kinetische Energie) und bewegt sich weiter über den Gleichgewichtspunkt hinaus. Dabei gewinnt es potentielle Energie (Rückstellkraft), die es dazu bringt, wieder nach unten zu schwingen.

Quellen und weiterführende Literatur

• Fitzpatrick, Richard. "Oszillationen und Wellen: Eine Einführung", 2. Aufl. Boca Raton: CRC Press, 2019. 
• Mittal, P.K. "Schwingungen, Wellen und Akustik." New Delhi, India: I.K. Internationaler Verlag, 2010.