Schwingungen
Welche Voraussetzungen machen ein System zu einem schwingfähigen System und was sind die charakteristischen Grössen, die das Schwingungsverhalten beschreiben würden?
Harmonische Schwingungen
Ideale Schwingungen sind immer harmonische Schwingungen, d.h. Schwingungen, die mit einer Sinus- bzw. Kosinusfunktion beschrieben werden können.
Energie in Schwingungssystemen
Ohne Energie gibt es keine Schwingungen, denn eine Schwingung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Energieform regelmässig in eine andere Energieform umgewandelt wird und wieder zurück.
Gedämpfte Schwingungen
Das Abklingen von Schwingungen entsteht durch die Umwandlung eines Teils der Energie in Wärme, so dass dieser Teil der Energie nicht mehr für die Schwingung zur Verfügung steht.
Erzwungene Schwingungen
Wird ein schwingfähiges System mit einer Schwingung angeregt, kann das Phänomen der Resonanz entstehen. Dabei werden sehr grosse Amplituden erreicht, weil sich das System "hochschaukelt".
Schwingungssysteme
Welche Arten von Schwingungssystemen gibt es? Was haben sie gemeinsam und wie können wir beliebige Schwingungssysteme den Grundsystemen zuordnen?
Fadenpendel
Beim Fadenpendel schwingt eine träge Masse hin und her, weil sie immer wieder von der Erdanziehung angezogen wird. Erstaunlicherweise hat die Masse keinen Einfluss auf die Schwingungsperiode oder -frequenz.
Federpendel
Beim Federpendel schwingt eine träge Masse hin und her und die Rückstellkraft kommt von einer mechanischen Feder. Dieses System bildet dir Grundlage für das Schwingungsverhalten aller elastischen Materialien.
Elektrischer Schwingkreis
Wir können auch Elektronen als Ladungsträger im elektrischen Leiter zum Schwingen bringen, indem wir einen schwingfähigen Stromkreis mit Hilfe eines Kondensators und einer Spule erschaffen.
Wellen
Phänomene, die Energie im Raum weitertragen sind meistens Wellen. So verschieden die verschiedenen Wellenarten alle sind, so haben sie alle Eigenschaften, die nur Wellen haben können.
Wellengleichung
Obwohl die verschiedenen Wellenarten unglaublich verschieden sind, so erfüllen ihre Wellenfunktion alle eine gemeinsame Wellengleichung.
Periodische Wellen
Periodische Wellen sind sinusförmige Funktionen, die sich mit Wellengeschwindigkeit fortpflanzen.
Energietransport in Wellen
Alle Arten von Wellen transportieren Energie, wie z.B. elektromagnetische Wellen, die Strahlungsenergie transportieren.
Schallwellen
Schallwellen sind Wellen von Druckschwankungen in einem Stoff, d.h. sie existieren nicht nur in Gasen, sondern auch in Flüssigkeiten und Feststoffen.
Elektromagnetische Wellen
Elektromagnetische Wellen umfassen eine Vielzahl von Strahlungsarten, wie auch das sichtbare Licht und bewegen sich deshalb alle mit Lichtgeschwindigkeit. Sie sind Wellen von Schwankungen im elektrischen und magnetischen Feld.
Wellenausbreitung
Die Art und Weise, wie sich Wellen ausbreiten und ihre Wellengeschwindigkeit sind verantwortlich für viele Wellenphänomene, wie z.B. die Reflexion oder die Brechung.
Wellen an Grenzflächen
Die Wellenausbreitung ist meistens abhängig vom Medium oder den herrschenden Bedingungen. Wenn sich diese von einem Material zum Nächsten ändern, entstehen Wellenphänomene, wie die Reflexion oder die Brechung.
Überschall
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen nennt sich Schallgeschwindigkeit. Objekte, die sich schneller als die Schallgeschwindigkeit bewegen, sind mit Überschall unterwegs und es entsteht ein sog. Überschallknall.
Doppler-Effekt
Wenn eine Schallquelle sich bewegt (z.B. Wagen mit Sirene) oder wir uns relativ zu einer Schallquelle bewegen, entsteht der sog. Dopplereffekt, der zu einer verändernden Frequenz führt. Wir hören dann z.B. eine sich verändernde Tonhöhe der Sirene.
Wellenüberlagerungen
Wellen können einander überlagert werden (oder auch sich selbst) und sich dabei verstärken oder gar sich gegenseitig auslöschen.
Schwebung
werden zwei Schwingungen oder Wellen mit nur geringfügig abweichender Frequenz einander überlagert, entsteht die sog. Schwebung, bei welcher die Überlagerung eine vergleichsweise langsam an- und abschwellende Schwingung darstellt.
Moiré-Effekt
Das Überlagern von Streifenmustern oder Gittern entspricht mathematisch dem Überlagern von Schwingungen oder Wellen. Wenn die Frequenz der Muster sich leicht unterscheidet, haben wir etwas wie eine "sichtbare Schwebung", die als Moiré-Effekt bekannt ist.
Interferenz
Überlagerte Wellen können sich gegenseitig verstärken (konstruktive Interferenz) oder sich gegenseitig auslöschen (destruktive Interferenz). Dabei entstehen sog. Interferenzmuster, meistens mit Streifen.
Optik von dünnen Schichten
Dünne Schichten, z.B. die Haut einer Seifenblase oder ein Ölfilm auf einer Wasseroberfläche sind so dünn, dass sie eine Überlagerung von Licht erzeugen, die wir in allen Regenbogenfarben sehen.
Poisson-Fleck (Aragos Punkt)
Als Folge der Wellennatur wurde vorausgesagt, dass selbst im Schatten eines geometrisch sehr regelmässigen Objekts, die Wellenüberlagerungen einen hellen Punkt erzeugen würden. Tatsächlich konnte dieser Punkt nachgewiesen werden.
Stehende Wellen
Wellen, die sich zwischen zwei Endpunkten hin und her bewegen und an den Enden zurückreflektiert werden, können durch Überlagerung eine sog. stehende Welle erzeugen, die eine stationäre Schwingung darstellt.