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[[Bild:Vertical-mass-on-spring.svg|mini|Bewegung eines ungedämpften Federschwingers um die Ruhelage]]
Ein '''Federpendel''' oder '''Federschwinger''' ist ein [[harmonischer Oszillator]], der aus einer [[Feder_(Technik)|Schraubenfeder]] und einem daran befestigten Massestück besteht, welches sich geradlinig längs der Richtung bewegen kann, in der die Feder sich verlängert oder verkürzt.

Beim Loslassen des aus seiner Ruhelage ausgelenkten Federschwingers beginnt eine [[Schwingung]], die bei fehlender [[Dämpfung]] nicht mehr abklingt. Sofern sich die Masse nicht horizontal bewegt, hängt der Ort der [[Ruhelage]], nicht aber die Schwingungsfrequenz, von der [[Schwerkraft]] ab. Die Schwingung verläuft [[Schwingung#Harmonische Schwingung|harmonisch]] (d. h. sinusförmig), solange die Feder eine zur Auslenkung proportionale Kraft ausübt.

Nicht behandelt wird in diesem Artikel die Pendelbewegung zur Seite, die zusätzlich möglich ist und zu chaotischem Verhalten führen kann.

== Funktionsweise ==
Eine [[Idealisierung_(Physik)|ideale]] Feder übt auf die Masse eine Kraft aus, die sich aus der Kraft in der Ruhelage und einem Anteil proportional zur Entfernung von der [[Ruhelage]] zusammensetzt. Die Kraft in der Ruhelage kompensiert die Gewichtskraft und hat keine Auswirkung auf das Schwingungsverhalten. Der Anteil proportional zur Auslenkung wirkt stets rückstellend. Ein ausgelenkter Federschwinger hat deshalb immer das Bestreben, in die Ruhelage zurückzukehren. Seine Masse wird in Richtung der Ruhelage beschleunigt und schwingt auf Grund des [[Trägheitsprinzip]]s wieder darüber hinaus.

Die in der Feder gespeicherte [[Spannenergie|potentielle Energie]] wird in [[kinetische Energie]] der Masse umgewandelt. Bei fehlender Dämpfung wird dem System keine Energie entzogen, so dass sich dieser Vorgang periodisch mit konstanter [[Amplitude]] wiederholt.

Wird der Federschwinger durch eine äußere Kraft in Phase mit der Geschwindigkeit periodisch angeregt, so kann die Amplitude sehr groß werden und zur [[Resonanz#Resonanz bei Dämpfung Null|Resonanzkatastrophe]] führen.

== Herleitung der Schwingungsgleichung ==
[[Bild:Federpendel.PNG|mini|Kraft an einem Federschwinger. Die Federkraft ''F'' wirkt zur Ruhelage.]]
Die auf die Masse wirkende Federkraft ist nach dem [[Hookesches Gesetz|Hookeschen Gesetz]] der Auslenkung ''y'' entgegen gerichtet und zu ihr proportional.
:<math>F = - D \cdot y</math>
Der Proportionalitätsfaktor ''D'' ist die [[Federkonstante]] oder Direktionskonstante.

Die Federkraft verursacht nach dem [[Newtonsche Gesetze#Zweites Newtonsches Gesetz|Aktionsprinzip]] eine Beschleunigung des Massestücks entgegen der Auslenkung. Die Beschleunigung kann auch als zweite [[Differentialrechnung|Ableitung]] der Auslenkung nach der Zeit ausgedrückt werden.
:<math>m \cdot \ddot y = F = - D \cdot y</math>
Nach dem Umformen der Gleichung erhält man schließlich
:<math>m \cdot \ddot y + D \cdot y = 0 \Rightarrow \ddot y + \frac D m \cdot y = 0</math>
:<math>\ddot y + \omega_0^2 \cdot y = 0</math>
eine lineare homogene [[Differentialgleichung]], die mit einem [[Exponentialansatz]] gelöst werden kann.

<math>\omega_0</math> wird als [[Kreisfrequenz|ungedämpfte Eigenkreisfrequenz]] bezeichnet.
:<math>\omega_0 = \sqrt{\frac{D}{m}}</math>
Die Eigenkreisfrequenz ist allgemein <math>\omega_0 = \tfrac{2 \cdot \pi}{T}</math>, das Umstellen nach der [[Periodendauer]] ''T'' ergibt
:<math>T = 2 \cdot \pi \cdot \sqrt{\frac{m}{D}}</math>
Die Periodendauer gibt die benötigte Zeit für eine gesamte Schwingung an.

=== Lösen der Schwingungsgleichung ===
Die Auslenkung ist eine Sinusfunktion der Form <math>y(t) = \hat y \cdot \sin{(\omega_0 t + \varphi)}</math>.

Die Phase <math>\varphi</math> ergibt sich aus der Anfangsbedingung. Zum Zeitpunkt <math>t=0</math> wird das Federpendel bei der Auslenkung <math>\hat y</math> losgelassen.
:<math>\sin (\varphi) = 1 \quad \Rightarrow \quad \varphi = \pi /2</math>

Die Schwingungsgleichung für das ideale Federpendel mit der Auslenkung <math>y=\hat y</math> zu Beginn der Schwingung ist:
:<math>\underline{ \underline{y(t) = \hat y \cdot \sin{(\omega_0 t + \pi/2)} = \hat y \cdot \cos(\omega_0 t)}}</math>

== Energie eines Federschwingers ==
Die kinetische Energie eines Federschwingers mit der Masse ''m'' lässt sich berechnen mit <math>E_\mathrm{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2</math>.

Nach dem Einsetzen der Geschwindigkeit ''v'' erhält man
:<math>E_\mathrm{kin} = \frac{1}{2} m \cdot {\hat y}^2 \cdot \omega_0^2 \cdot \sin^2(\omega_0 \cdot t)</math>.
Für die Eigenkreisfrequenz gilt <math>\omega_0 = \sqrt{\frac{D}{m}} \Rightarrow D = m \cdot \omega_0^2</math>. Deshalb kann die kinetische Energie auch ausgedrückt werden mit:
:<math>E_\mathrm{kin} = \frac{D}{2} {\hat y}^2 \cdot \sin^2(\omega_0 \cdot t)</math>

Die potentielle Energie ist allgemein
:<math>E_\mathrm{pot} = \int F_\mathrm{F} \, \mathrm d s</math> für <math>F \parallel s</math>
Da die Federkraft <math>F_\mathrm{F} = D \cdot y</math> ist, gilt
:<math>E_\mathrm{pot} = D \cdot \int y \, \mathrm d y</math>

:<math>E_\mathrm{pot} = \frac{D}{2} y^2</math>
Die gesamte Federenergie ''E''<sub>F</sub> setzt sich aus der potentiellen und der kinetischen Energie zusammen.
:<math>E_\mathrm{F} = E_\mathrm{pot} + E_\mathrm{kin}</math>

:<math>E_\mathrm{F} = \frac{D}{2} {\hat y}^2 \cdot \cos^2(\omega_0 \cdot t) + \frac{D}{2} {\hat y}^2 \cdot \sin^2(\omega_0 \cdot t)</math>
Aufgrund des „[[Trigonometrischer Pythagoras|trigonometrischen Pythagoras]]“ gilt <math>\sin^2 x + \cos^2 x = 1</math>, die Gesamtenergie vereinfacht sich zu:
:<math>\underline{\underline {E_{\mathrm F} = {D \over 2} \cdot {\hat y}^2}}</math>

== Massebehaftete Feder ==
Die Bewegungsgleichungen für ideale Federschwinger gelten nur für masselose Federn. Wenn die elastische Feder als massebehaftet angenommen wird und die Masse homogen verteilt ist, ergibt sich die Periodendauer der Schwingung zu
:<math>T = 2 \pi \sqrt{\frac{m + \frac{1}{3} m_F}{D}}</math>
Die Parameter m und m<sub>F</sub> entsprechen der Masse des Schwingers und der Masse der Feder.

Die Gesamtlänge der Feder sei ''l'', ''s'' sei die Entfernung zwischen der Aufhängung des Federschwingers und einem beliebigen Punkt auf der Feder. Ein Abschnitt der Feder mit der Länge d''s'' hat dann die Masse <math>\mathrm d m_F = m_F \cdot \frac{\mathrm d s}{l}</math>. Die Geschwindigkeit des Federabschnitts ist <math>v_F = \dot y \frac{s}{l}</math>, denn sie steigt linear mit zunehmender Entfernung von der Aufhängung. Daraus folgt für die [[kinetische Energie]] eines Federabschnitts
:<math>\mathrm d E_\mathrm{kin,F} = \frac{1}{2} \cdot \mathrm d m_F \cdot v_F^2</math>

:<math>\mathrm d E_\mathrm{kin,F} = \frac{1}{2} \cdot m_F \cdot \frac{\mathrm d s}{l} \cdot \dot y^2 \cdot \frac{\mathrm s^2}{l^2} = \frac{1}{2} \cdot m_F \cdot \dot y^2 \cdot \frac{1}{l^3} \cdot s^2 \mathrm d s</math>

Die gesamte kinetische Energie der Feder erhält man durch Integrieren:
:<math>E_\mathrm{kin,F} = \int \mathrm d E_\mathrm{kin} = \frac{1}{2} \cdot m_F \cdot \dot y^2 \cdot \frac{1}{l^3} \cdot \int_0^l s^2 \mathrm d s</math>
:<math>E_\mathrm{kin,F} = \frac{1}{2} \cdot m_F \cdot \dot y^2 \cdot \frac{1}{3}</math>
Die kinetische Energie eines Federschwingers unter Berücksichtigung der massebehafteten Feder ist
:<math>E_\mathrm{kin} = \frac{1}{2} \cdot \dot y^2 \cdot \left(m + \frac{1}{3} m_F\right)</math>
Man erkennt, dass sich ein Drittel der Federmasse so verhält, als wäre sie ein Teil der Masse des Körpers. Daraus folgt die oben beschriebene Periodendauer für eine massebehaftete Feder.

== Literatur ==
* [[Dieter Meschede]]: ''[[Gerthsen Physik]]''. Auflage 23, Springer, Berlin Heidelberg New York 2006, ISBN 3-540-02622-3.
* [[István Szabó (Ingenieur)|Istvan Szabo]]: ''Einführung in die technische Mechanik''. Auflage 8, Springer, 2002, ISBN 3-540-44248-0.

{{Normdaten|TYP=s|GND=1205484000}}

[[Kategorie:Pendel]]
[[Kategorie:Physikalisches Demonstrationsexperiment]]

Federpendel - Versionsgeschichte

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