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Harmonische Schwingungen sind periodische Bewegungen um eine Ruhelage, bei denen die rücktreibende Kraft proportional zur Auslenkung ist. Sie werden durch die Kenngrößen Amplitude, Periodendauer und Frequenz eindeutig beschrieben.
Eine Schwingung (Oszillation) ist eine zeitlich periodische Änderung einer physikalischen Größe um einen stabilen Gleichgewichtszustand, den wir als Ruhelage bezeichnen. Von einer harmonischen Schwingung spricht man, wenn der zeitliche Verlauf dieser Änderung einer Sinuskurve folgt. Dies passiert immer dann, wenn eine rücktreibende Kraft wirkt, die linear mit dem Abstand zur Ruhelage zunimmt.
Die maximale Auslenkung eines schwingenden Körpers aus seiner Ruhelage nennt man Amplitude (Formelzeichen A). Sie gibt die 'Stärke' der Schwingung an. In der Medizin entspricht die Amplitude beispielsweise der Lautstärke eines Tons oder der maximalen Druckdifferenz bei einer Pulswelle.
Die Zeit, die ein System für genau einen vollständigen Schwingungsvorgang (einmal hin und zurück) benötigt, ist die Periodendauer (auch Schwingungsdauer genannt, Formelzeichen T). Sie wird in Sekunden (s) gemessen. Nach Ablauf einer Periode befindet sich das System wieder im exakt gleichen Bewegungszustand wie zu Beginn.
Die Frequenz (Formelzeichen f) ist der Kehrwert der Periodendauer (f = 1/T) und gibt an, wie viele Schwingungen pro Sekunde ablaufen. Die Einheit der Frequenz ist Hertz (Hz), wobei 1 Hz = 1/s entspricht. Eine hohe Frequenz bedeutet also eine kurze Periodendauer und damit eine schnelle Abfolge der Schwingungen.
Häufig wird in der Physik auch die Kreisfrequenz (Formelzeichen ω) verwendet. Sie beschreibt die Änderung des Phasenwinkels pro Zeit und steht in direktem Zusammenhang mit der Frequenz: ω = 2 × π × f. Man kann sie sich als die 'Winkelgeschwindigkeit' einer gedachten Kreisbewegung vorstellen, die die Schwingung repräsentiert.
Beim Fadenpendel (mathematisches Pendel) hängt die Periodendauer bei kleinen Auslenkungen ausschließlich von der Länge des Fadens (l) und der Erdbeschleunigung (g) ab. Überraschenderweise spielt die Masse des Pendelkörpers hier keine Rolle für die Zeitdauer einer Schwingung.
Im Gegensatz dazu wird das Federpendel maßgeblich von der Masse (m) des schwingenden Körpers und der Steifigkeit der Feder, der sogenannten Federkonstante (D), beeinflusst. Je größer die Masse, desto langsamer die Schwingung (größeres T); je härter die Feder, desto schneller die Schwingung (kleineres T).
In der Realität wirken immer Reibungskräfte, die dem System Energie entziehen. Dies führt zu einer gedämpften Schwingung, bei der die Amplitude mit der Zeit immer kleiner wird, bis das System schließlich in der Ruhelage zum Stillstand kommt.
