Schwingung

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Rechts: Zwei Schwingungen, die um den Phasenwinkel LaTeX: \Delta \varphi gegeneinander verschoben sind. Links: Zwei rotierende Zeiger mit derselben Phasenverschiebung.

Eine Schwingung oder Oszillation (lat. oscillare „schaukeln“) ist eine zeitlich wiederkehrende (periodische oder chaotische) Schwankung einer oder mehrerer Zustandsgrößen um einen Mittelwert. Grundsätzlich sind alle rückgekoppelten Systeme, bei denen der Auslenkung eine entsprechende Rückstellkraft entgegenwirkt, schwingungsfähig. In der Physik wird ein solches schwingungsfähiges System als Oszillator bzw. im Fall einer sinusförmigen harmonischen Schwingung als harmonischer Oszillator bezeichnet.

Charakteristische Größen

Eine periodische Schwingung kann durch die Amplitude LaTeX: A, die maximale positive oder negative Abweichung vom Mittelwert, und die Periodendauer LaTeX: T charakterisiert werden. Der Kehrwert der Periodendauer, die Frequenz LaTeX: \nu = \frac1T, gibt die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit an und wird üblicherweise in Hertz gemessen ( LaTeX: 1\ Hz = s^{-1}). Häufig verwendet man auch die Kreisfrequenz oder Winkelfrequenz  LaTeX: \omega = 2\pi f = \frac{2\pi}T.

Der Phasenwinkel LaTeX: \varphi, kurz genannt die Phase, gibt dabei die aktuelle Position innerhalb des periodischen Schwingungsvorgangs an. Eine volle Schwingungsperiode entspricht dem Phasenwinkel LaTeX: 2\pi. Zwei Schwingungen gleicher Periodendauer können um ein entsprechende Phasenverschiebung (auch: Phasendifferenz) LaTeX: \Delta \varphi gegeneinander verschoben sein.

Beispiele

Am anschaulichsten ist die mechanische Schwingung eines Körpers, etwa eines Pendels oder Federpendels. Es können aber auch elektrische und magnetische Feldgrößen schwingen, wie es etwa bei einer elektromagnetischen Schwingung in einem elektrischen Schwingkreis der Fall ist.

Eine harmonische Schwingung entsteht, wenn sich die rückstellende Kraft linear mit der Auslenkung ändert. Sie kann mathematisch durch eine Sinusfunktion beschrieben werden. Bei einer gedämpften Schwingung, wie sie wegen der stets vorhandenen Reibung in der Praxis meist vorliegt, nimmt die Amplitude mit der Zeit immer mehr ab. Im aperiodischen Grenzfall (etwa bei einem Stoßdämpfer) bildet sich keine Sinusschwingung aus, sondern die Amplitude sinkt exponentiell gegen Null ab.

Pendelschwingung.gif Schwingungsanimation nogif.svgHarmonischeSchw.gif Damped oscillation graph2.svgDamped spring.gif
Schwingung eines Fadenpendels Harmonischen Schwingung eines Federpendels Zeitlicher Verlauf einer gedämpften Schwingung

Siehe auch

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