Mechanische Schwingungen: Übungsaufgaben mit Schritt-für-Schritt-Lösungen

Kostenlose Übungsaufgaben zu Mechanische Schwingungen mit Skizzen, Tipps und vollständigen Musterlösungen. Jedes Mal neue Werte, in drei Stufen: Eigenfrequenz, Dämpfungsgrad, Federn in Reihe und parallel.

Kostenlose ÜbungsaufgabeLeicht
kmδst​ = 15 mmunbelastet

Eine Maschine steht auf Federelementen, die unter ihrem Gewicht um 15 mm zusammengedrückt werden. Betrachte sie als ungedämpftes System mit einem Freiheitsgrad und verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die Eigenfrequenz fn der vertikalen Schwingung in Hz.

δst = 15 mmg = 9,81 m/s²
Hz
Nächste Aufgabe →
Mechanische Schwingungen kostenlos übenMechanische Schwingungen jetzt übenJeden Tag 5 kostenlose Aufgaben. Keine Kreditkarte nötig.

Was du übst

  1. LeichtEigenfrequenz
  2. MittelDämpfungsgrad
  3. SchwerFedern in Reihe und parallel

Wichtige Formeln

Eigenfrequenz
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Aus der statischen Durchbiegung
ωn = √(g/δst)
Kritische Dämpfung
cc = 2√(km) = 2mωn
Dämpfungsgrad
ζ = c/cc
Gedämpfte Eigenfrequenz
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Logarithmisches Dekrement
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Federn parallel
k = k1 + k2
Federn in Reihe
1/k = 1/k1 + 1/k2

Mechanische Schwingungen von Grund auf lernen

Davor: Federn & Pendel

1Was eine Schwingung ist

Hänge eine Masse an eine Feder, ziehe sie ein Stück nach unten und lass los. Sie federt um ihre Ruhelage auf und ab. Diese sich wiederholende Bewegung ist eine Schwingung.

Jedes solche System hat seinen eigenen bevorzugten Rhythmus, die Eigenfrequenz. Sie hängt nur davon ab, wie steif die Feder und wie schwer die Masse ist, nicht davon, wie weit du gezogen hast.

kmx

Ingenieure interessiert das, weil eine Maschine, die mit ihrer Eigenfrequenz angeregt wird, heftig schwingen kann. Das nennt man Resonanz. Motorlager, Waschmaschinen und Brücken werden alle mit Rücksicht darauf ausgelegt.

Eine steifere Feder macht die Schwingung schneller. Eine schwerere Masse macht sie langsamer.

Selbsttest Du ersetzt die Masse an einer Feder durch eine viermal so schwere. Was geschieht mit der Eigenfrequenz?
  1. Er bleibt gleich
  2. Sie halbiert sich
  3. Sie verdoppelt sich
  4. Sie wird viermal kleiner

Antwort: Sie halbiert sich. Die Frequenz hängt von √(k/m) ab. Die vierfache Masse teilt die Wurzel durch √4 = 2, die Frequenz halbiert sich also.

2Eigenfrequenz und Federkombinationen

Für eine Masse m (kg) an einer Feder der Steifigkeit k (N/m) ist die Eigenkreisfrequenz in rad/s:

ωn = √(k / m)

Ein voller Zyklus sind 2π Radiant. Die Eigenfrequenz in Hertz (Zyklen pro Sekunde) und die Periodendauer (Sekunden pro Zyklus) sind also:

fn = ωn / (2π) T = 1 / fn

Manchmal kennst du nur, wie weit die Feder unter dem Gewicht durchhängt, die statische Durchbiegung δst = m·g/k. Dann gilt ωn = √(g / δst), mit δst in Metern.

Gibt es mehrere Federn, ersetze sie zuerst durch eine Ersatzfeder:

k1​k2​mk1​k2​mk = k₁ + k₂1/k = 1/k₁ + 1/k₂
  • Nebeneinander (parallel) teilen sich die Federn die Last, und die Steifigkeiten addieren sich.
  • Hintereinander (in Reihe) nimmt jede Feder die volle Last auf, und die Ersatzfeder ist weicher als jede einzelne.
Selbsttest Zwei Federn von je 10 kN/m sind hintereinander (in Reihe) geschaltet. Wie groß ist die Ersatzsteifigkeit?
  1. 10 kN/m
  2. 100 kN/m
  3. 20 kN/m
  4. 5 kN/m

Antwort: 5 kN/m. 1/k = 1/10 + 1/10 = 2/10, also k = 5 kN/m. Die Addition zu 20 kN/m ist die Regel für parallele Federn.

3Dämpfung

Reale Schwingungen klingen ab. Ein Dämpfer (ein Kolben, der sich durch Öl bewegt, wie ein Stoßdämpfer im Auto) entzieht Energie. Seine Stärke ist die Dämpfungskonstante c in N·s/m.

kcmx

Die kritische Dämpfung ist die Dämpfung, die die Masse gerade eben am Nachschwingen hindert:

cc = 2 · √(k · m) = 2 · m · ωn

Das Dämpfungsmaß vergleicht die tatsächliche Dämpfung mit diesem kritischen Wert:

ζ = c / cc
  • ζ < 1: schwach gedämpft. Die Masse schwingt noch, aber die Ausschläge schrumpfen.
  • ζ = 1: kritisch gedämpft. Sie kehrt so schnell wie möglich ohne Überschwingen zur Ruhe zurück.
  • ζ > 1: überkritisch gedämpft. Sie kriecht langsam zurück, ohne zu schwingen.

Ein schwach gedämpftes System schwingt etwas langsamer als das ungedämpfte, mit der gedämpften Eigenfrequenz:

ωd = ωn · √(1 − ζ²)
Selbsttest Eine Masse von 10 kg sitzt auf einer Feder mit 1000 N/m mit einem Dämpfer von c = 50 N·s/m. Wie groß ist das Dämpfungsmaß?
  1. 0,25
  2. 0,5
  3. 2,5
  4. 4

Antwort: 0,25. cc = 2·√(1000 · 10) = 200 N·s/m, also ζ = 50/200 = 0,25. Vergisst man den Faktor 2, erhält man 0,5, und teilt man umgekehrt, erhält man 4.

4Das Verfahren Schritt für Schritt

  1. Rechne alles in SI-Einheiten um: kN/m in N/m (× 1000), mm in m, Gramm in kg.
  2. Gibt es mehrere Federn, fasse sie zu einem k zusammen: parallel addieren, in Reihe die Kehrwerte addieren.
  3. Bestimme ωn = √(k/m) in rad/s.
  4. Fragt die Aufgabe nach Hertz, teile durch 2π: fn = ωn/(2π). Für die Periodendauer nimm T = 1/fn.
  5. Bei Dämpfung bestimme cc = 2·√(k·m), dann ζ = c/cc und, falls gefragt, ωd = ωn·√(1 − ζ²).

Halte ω (rad/s) und f (Hz) auseinander. Sie unterscheiden sich um den Faktor 2π ≈ 6,28, und sie zu verwechseln ist der häufigste Weg, Punkte zu verlieren.

5Ein durchgerechnetes Beispiel

Folge jedem Schritt. Versuche, den nächsten vorherzusagen, bevor du ihn öffnest.

Durchgerechnetes Beispiel

Eine Masse von 50 kg hängt an einer Feder mit einer Steifigkeit von 20 kN/m. Vernachlässige die Dämpfung. Bestimme die Eigenfrequenz fn in Hz und die Schwingungsdauer.

1

Zeichnen und umrechnen

20 kN/m50 kgx

Die Steifigkeit muss in N/m angegeben werden: k = 20 kN/m = 20 000 N/m. Die Masse ist bereits in kg.

2

Eigenkreisfrequenz

ωn = √(k / m) = √(20 000 / 50) = √400 = 20 rad/s
3

In Hertz umrechnen

Teile durch 2π, um volle Zyklen pro Sekunde zu zählen:

fn = 20 / (2π) = 3,18 Hz
4

Die Periodendauer

T = 1 / fn = 1 / 3,183 = 0,314 s

Die Masse macht etwas mehr als drei volle Auf-und-ab-Zyklen pro Sekunde.

5

Antwort prüfen

Die statische Durchbiegung ist δst = m·g/k = 50 · 9,81 / 20 000 = 0,0245 m.

ωn = √(9,81 / 0,0245) = 20 rad/s

Dieselben 20 rad/s, auf anderem Weg gefunden. Die Antwort stimmt.

6

Weiter gehen: einen Dämpfer hinzufügen

Mit einem Dämpfer von c = 400 N·s/m: cc = 2·√(20 000 · 50) = 2000 N·s/m, also ζ = 400/2000 = 0,2.

ωd = 20 · √(1 − 0,2²) = 19,6 rad/s, fd = 3,12 Hz
Antwort

fn ≈ 3,18 Hz (ωn = 20 rad/s), und die Periodendauer ist T ≈ 0,314 s.

6Häufige Fehler

  • ωn in rad/s angeben, wenn die Aufgabe nach fn in Hz fragt, oder umgekehrt.
  • Die Steifigkeit in kN/m lassen. Die Formel braucht N/m.
  • Federn in Reihe addieren, als wären sie parallel.
  • Die 2 in cc = 2·√(k·m) vergessen.
  • Die Gewichtskraft m·g statt der Masse m in ωn = √(k/m) verwenden.
Selbsttest Eine Masse von 4 kg hängt an einer Feder mit 400 N/m. Wie groß ist ihre Eigenfrequenz in Hz?
  1. 0,05 Hz
  2. 1,59 Hz
  3. 10 Hz
  4. 62,8 Hz

Antwort: 1,59 Hz. ωn = √(400/4) = 10 rad/s, und fn = 10/(2π) = 1,59 Hz. Bei 10 aufzuhören ergibt rad/s, nicht Hz; die Multiplikation mit 2π ergibt 62,8; mit 0,4 (kN/m) erhält man 0,05 Hz.

7So sehen Prüfungsaufgaben aus

  • Leicht: Eigenfrequenz. Eine Masse an einer Feder: Bestimme ωn in rad/s oder fn in Hz. Manche Aufgaben geben nur die statische Durchbiegung einer Maschine auf ihren Lagern an.
  • Mittel: Dämpfungsmaß. Bestimme ζ aus m, k und c oder die gedämpfte Frequenz fd aus einem gegebenen ζ. Andere geben zwei Spitzen aus einem Ausschwingversuch an.
  • Schwer: Federn in Reihe und parallel, manchmal beides (zwei nebeneinander liegende Federn halten einen Balken, mit einer dritten Feder darunter). Bestimme zuerst keq, dann fn.

Für zwei Spitzen x0 und xn im Abstand von n Zyklen verwende das logarithmische Dekrement:

δ = (1/n) · ln(x0 / xn), ζ = δ / √(4π² + δ²)

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Beispielaufgaben

Beispiel 1Leicht
k = 15 kN/mm = 40 kgx

Eine Masse von 40 kg hängt an einer Feder mit einer Steifigkeit von 15 kN/m. Vernachlässige die Dämpfung. Bestimme die Eigenfrequenz fn in Hz.

m = 40 kgk = 15 kN/m

Gesucht: fn (Hz)

Tipps anzeigen
  1. Rechne in SI-Einheiten: k in N/m.
  2. ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π).
  3. k = 15000 N/m.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Freie Schwingung eines Feder-Masse-Systems: Die ungedämpfte Eigenkreisfrequenz ist ωn = √(k/m) in rad/s, und fn = ωn/(2π) in Hz. Ein viskoser Dämpfer c ergibt den Dämpfungsgrad ζ = c/cc, mit der kritischen Dämpfung cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Ein unterkritisch gedämpftes System (ζ < 1) schwingt mit ωd = ωn·√(1 − ζ²). Parallele Federn addieren sich, k = k₁ + k₂; bei Federn in Reihe addieren sich die Kehrwerte, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Eigenkreisfrequenz

ωn = √(k/m) = √(15000/40) = 19,36 rad/s

In Hertz

fn = ωn/(2π) = 19,36/(2π) = 3,082 Hz

Antwort

fn = 3,082 Hz
Beispiel 2Mittel
k = 50 kN/mζ = 0,4m = 10 kg

Eine Masse von 10 kg an einer Feder mit einer Steifigkeit von 50 kN/m hat einen viskosen Dämpfer, der einen Dämpfungsgrad von 0,4 ergibt. Bestimme die gedämpfte Eigenfrequenz fd ihrer freien Schwingung in Hz.

m = 10 kgk = 50 kN/mζ = 0,4

Gesucht: fd (Hz)

Tipps anzeigen
  1. Bestimme zuerst die ungedämpfte Eigenfrequenz.
  2. ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π).
  3. fd = fn·√(1 − ζ²).
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Freie Schwingung eines Feder-Masse-Systems: Die ungedämpfte Eigenkreisfrequenz ist ωn = √(k/m) in rad/s, und fn = ωn/(2π) in Hz. Ein viskoser Dämpfer c ergibt den Dämpfungsgrad ζ = c/cc, mit der kritischen Dämpfung cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Ein unterkritisch gedämpftes System (ζ < 1) schwingt mit ωd = ωn·√(1 − ζ²). Parallele Federn addieren sich, k = k₁ + k₂; bei Federn in Reihe addieren sich die Kehrwerte, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Ungedämpfte Eigenfrequenz

ωn = √(50000/10) = 70,71 rad/s
fn = 70,71/(2π) = 11,25 Hz

Gedämpfte Eigenfrequenz

fd = fn·√(1 − ζ²) = 11,25·√(1 − 0,4²) = 10,31 Hz

Antwort

fd = 10,31 Hz
Beispiel 3Schwer
k1​ = 80k2​ = 20m = 5 kg

Eine Masse von 5 kg hängt an zwei hintereinander (in Reihe) geschalteten Federn: Die obere Feder hat k₁ = 80 kN/m, die untere k₂ = 20 kN/m. Bestimme die Ersatzsteifigkeit keq des Federsystems in kN/m.

m = 5 kgk1 = 80 kN/mk2 = 20 kN/m

Gesucht: keq (kN/m)

Tipps anzeigen
  1. Parallele Federn haben denselben Weg: Die Steifigkeiten addieren sich. Federn in Reihe übertragen dieselbe Kraft: Die Nachgiebigkeiten 1/k addieren sich.
  2. 1/keq = 1/k₁ + 1/k₂.
  3. keq < 20 kN/m.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Freie Schwingung eines Feder-Masse-Systems: Die ungedämpfte Eigenkreisfrequenz ist ωn = √(k/m) in rad/s, und fn = ωn/(2π) in Hz. Ein viskoser Dämpfer c ergibt den Dämpfungsgrad ζ = c/cc, mit der kritischen Dämpfung cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Ein unterkritisch gedämpftes System (ζ < 1) schwingt mit ωd = ωn·√(1 − ζ²). Parallele Federn addieren sich, k = k₁ + k₂; bei Federn in Reihe addieren sich die Kehrwerte, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Ersatzsteifigkeit

Federn in Reihe übertragen dieselbe Kraft, und ihre Wege addieren sich, daher werden die Kehrwerte addiert: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/80 + 1/20 → keq = 80·20/(80 + 20) = 16 kN/m

Antwort

keq = 16 kN/m

Fragen und Antworten

Mechanische Schwingungen: Worum geht es?

Hänge eine Masse an eine Feder, ziehe sie ein Stück nach unten und lass los. Sie federt um ihre Ruhelage auf und ab. Diese sich wiederholende Bewegung ist eine Schwingung.

Jedes solche System hat seinen eigenen bevorzugten Rhythmus, die Eigenfrequenz. Sie hängt nur davon ab, wie steif die Feder und wie schwer die Masse ist, nicht davon, wie weit du gezogen hast.

Mechanische Schwingungen: Wie löst man die Aufgaben Schritt für Schritt?

Freie Schwingung eines Feder-Masse-Systems: Die ungedämpfte Eigenkreisfrequenz ist ωn = √(k/m) in rad/s, und fn = ωn/(2π) in Hz. Ein viskoser Dämpfer c ergibt den Dämpfungsgrad ζ = c/cc, mit der kritischen Dämpfung cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Ein unterkritisch gedämpftes System (ζ < 1) schwingt mit ωd = ωn·√(1 − ζ²). Parallele Federn addieren sich, k = k₁ + k₂; bei Federn in Reihe addieren sich die Kehrwerte, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Mechanische Schwingungen: Welche Fehler passieren am häufigsten?
  • Das ist ωn in rad/s. Teile durch 2π, um die Frequenz in Hz zu erhalten.
  • Rechne kN/m in N/m um (mit 1000 multiplizieren), bevor du ωn = √(k/m) verwendest.
  • Teile ωn durch 2π, um Hz zu erhalten; nicht multiplizieren.
Mechanische Schwingungen: Was wird geübt?
  • Leicht: Eigenfrequenz
  • Mittel: Dämpfungsgrad
  • Schwer: Federn in Reihe und parallel

Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort. Du hängst fest? Öffne zuerst einen kleinen Tipp und die vollständige Erklärung erst, wenn du sie brauchst.

So funktioniert das Üben

  • Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort.
  • Du hängst fest? Öffne zuerst einen kleinen Tipp und die vollständige Erklärung erst, wenn du sie brauchst.
  • Dein Fortschritt, deine Fehler und gespeicherten Aufgaben bleiben erhalten, damit du vor der Prüfung wiederholen kannst.

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