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Vibration, periodische Hin- und Herbewegung der Teilchen eines elastischen Körpers oder Mediums, die üblicherweise auftritt, wenn fast jedes physikalische System aus seinem Gleichgewichtszustand verschoben wird und auf die Kräfte reagiert, die zur Wiederherstellung des Gleichgewichts führen.
Schwingungen lassen sich in zwei Kategorien einteilen: freie und erzwungene. Freie Schwingungen treten auf, wenn das System kurzzeitig gestört wird und sich dann ungebremst bewegen kann. Ein klassisches Beispiel ist ein Gewicht, das an einer Feder hängt. Im Gleichgewicht hat das System ein Minimum an Energie und das Gewicht befindet sich in Ruhe. Wird das Gewicht heruntergezogen und losgelassen, reagiert das System mit einer vertikalen Schwingung.
Die Schwingungen einer Feder sind von einer besonders einfachen Art, der sogenannten einfachen harmonischen Bewegung (SHM). Diese tritt immer dann auf, wenn der Störung des Systems eine Rückstellkraft entgegengesetzt wird, die genau proportional zum Grad der Störung ist. In diesem Fall ist die Rückstellkraft die Zug- oder Druckkraft in der Feder, die (nach dem Hookeschen Gesetz) proportional zur Auslenkung der Feder ist. Bei einer einfachen harmonischen Bewegung haben die periodischen Schwingungen die mathematische Form einer Sinuskurve.
Die meisten Systeme, die kleine Störungen erleiden, wirken diesen entgegen, indem sie eine Art von Rückstellkraft ausüben. Häufig ist es eine gute Näherung, anzunehmen, dass die Kraft proportional zur Störung ist, so dass SHM im Grenzfall kleiner Störungen ein allgemeines Merkmal schwingender Systeme ist. Eine Eigenschaft von SHM ist, dass die Periode der Schwingung unabhängig von ihrer Amplitude ist. Solche Systeme werden daher bei der Regelung von Uhren eingesetzt. Die Schwingung eines Pendels zum Beispiel nähert sich dem SHM an, wenn die Amplitude klein ist.
Übersicht über moderne Technik zur Messung von Schwingungen in Baumaterialien.
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Ein universelles Merkmal von freien Schwingungen ist die Dämpfung. Alle Systeme sind Reibungskräften unterworfen, die den Schwingungen stetig Energie entziehen und die Amplitude meist exponentiell abnehmen lassen. Die Bewegung ist daher nie exakt sinusförmig. So wird ein schwingendes Pendel, wenn es nicht angetrieben wird, irgendwann in der Gleichgewichtslage (mit minimaler Energie) zur Ruhe kommen.
Zwangsschwingungen treten auf, wenn ein System durch eine äußere Einwirkung kontinuierlich angetrieben wird. Ein einfaches Beispiel ist eine Kinderschaukel, die bei jedem Abwärtsschwung angestoßen wird. Von besonderem Interesse sind Systeme, die einer SHM unterliegen und durch sinusförmige Antriebe angetrieben werden. Dies führt zu dem wichtigen Phänomen der Resonanz. Resonanz tritt auf, wenn sich die Antriebsfrequenz der Eigenfrequenz der freien Schwingungen nähert. Die Folge ist eine schnelle Energieaufnahme des schwingenden Systems mit einem damit einhergehenden Wachstum der Schwingungsamplitude. Letztendlich wird das Wachstum der Amplitude durch das Vorhandensein von Dämpfung begrenzt, aber die Reaktion kann in der Praxis sehr groß sein. Man sagt, dass Soldaten, die über eine Brücke marschieren, Resonanzschwingungen erzeugen können, die ausreichen, um die Struktur zu zerstören. Eine ähnliche Folklore existiert über Opernsänger, die Weingläser zerschmettern.
Elektrische Schwingungen spielen in der Elektronik eine wichtige Rolle. Ein Schaltkreis, der sowohl Induktivität als auch Kapazität enthält, kann das elektrische Äquivalent von SHM mit sinusförmigem Stromfluss unterstützen. Resonanz tritt auf, wenn die Schaltung mit einem Wechselstrom betrieben wird, der in seiner Frequenz an die der freien Schwingungen der Schaltung angepasst ist. Dies ist das Prinzip der Abstimmung. Ein Radioempfänger enthält z. B. einen Stromkreis, dessen Eigenfrequenz variiert werden kann. Wenn die Frequenz mit der des Radiosenders übereinstimmt, tritt Resonanz auf und es entsteht ein großer Wechselstrom dieser Frequenz im Kreis. Auf diese Weise können Schwingkreise genutzt werden, um eine Frequenz aus einem Gemisch herauszufiltern.
In Musikinstrumenten besteht die Bewegung von Saiten, Membranen und Luftsäulen aus einer Überlagerung von SHMs; in technischen Strukturen sind Schwingungen ein häufiges, wenn auch meist unerwünschtes Merkmal. In vielen Fällen können komplizierte periodische Bewegungen als Überlagerung von SHM bei vielen verschiedenen Frequenzen verstanden werden.