Hin und Her

Malen Sie im Themenbereich "Schwingungen und Wellen" mit einem Geigenbogen wunderschöne Muster in den Sand oder entdecken beim Sinus-Singen ganz neue Talente in sich. Alternativ können Sie auch unsere Riesenfeder so richtig in Schwung bringen oder versuchen, die Bewegungen des Chaos-Pendels vorherzusehen. Mit Hilfe des EKG-Geräts messen Sie nach der ganzen Aufregung in unserem Haus noch Ihren Herzschlag.

Einige ausgewählte Experimentierstationen aus diesem Bereich:

Sinus-Fließband

Was kann man tun?
Was sollte geschehen? Warum ist das so?

Fülle etwas Sand in den Trichter und lasse den Trichter pendeln.
Starte das Fließband durch Drücken und Halten des Knopfes. Mit dem Drehknopf kannst du die Geschwindigkeit des Fließbandes ändern.

Auf dem Fließband werden mit dem Sand Wellen-linien gemalt.
Je schneller das Band läuft, desto länger sind die Kurven.
Die Kurven sind hoch, wenn das Pendel weit ausgelenkt wird und flach, wenn das Pendel nur wenig schwingt.

Die Schwingung des Pendels wird durch die Bewegung des Fließbandes in ihrem zeitlichen Verlauf grafisch dargestellt.
Eine Schwingung, deren grafische Darstellung eine Sinus-Kurve ist, nennt man „harmonisch“.
In der Mathematik und Naturwissenschaft werden sich zeitlich ändernde Vorgänge durch Orts-Zeit-Diagramme dargestellt: Man sieht, an welchem Ort sich ein Gegenstand im Laufe der Zeit befindet.
In der oberen Abbildung sieht man das Orts-Zeit-Diagramm eines schwingenden Körpers und im unteren Bild das eines senkrecht nach oben geworfenen Balles.

Sandpendel Sandpendel

SandpendelSandpendel

Schwingungsfeder

Was kann man tun?
Was sollte geschehen? Warum ist das so?

Bewege die Feder mit der Stange und beobachte, was passiert. Du kannst die Stange auf verschiedene Weise bewegen:

(1) Einmal vor und zurück
(2) Ständig vor und zurück
(3) Einmal hin und her
(4) Ständig hin und her

Im Fall (1) und (3) bewegt sich die Störung durch die ganze Feder. Diese Störung wird an den Enden der Feder mehrmals zurück geworfen (reflektiert).
Im Fall (2) entsteht eine sogenannte Längswelle. Die Federspiralen schwingen längs der Ausbreitungsrichtung vor und zurück.
Im Fall (4) entsteht eine sogenannte Querwelle. Die Spiralen schwingen quer zur Laufrichtung der Welle.
Wenn du die Feder in einer passenden Geschwindigkeit hin und her bewegst, kannst du sogenannte „Stehende Wellen“ erzeugen: Einige Stellen der Feder bewegen sich gar nicht (Knoten), dazwischen bewegt sich die Feder heftig (Schwingungsbäuche).

Du erzeugst eine Welle, die am anderen Ende zurückgeworfen (reflektiert) wird. Wenn die zurücklaufende und die hinlaufende Welle aufeinander treffen, überlagern sie sich. Häufig ergibt das auf der Feder ein unregelmäßiges Gesamtbild. Dies geschieht vor allem deshalb, weil die Welle ja nicht nur einmal reflektiert wird.
Gelingt es, die Feder so anzuregen, dass die hin- und herlaufenden Wellen sich verstärken können, weil sie sich genau im richtigen Zeitpunkt treffen, dann entsteht eine stehende Welle: Ruhepunkte (durch Auslöschung) an festen Orten der Feder (Schwingungsknoten) und besonders starke Schwingungen dazwischen (Schwingungsbäuche).

Schwingungsfeder Schwingungsfeder Schwingungsfeder

Chladni-Klangfiguren

Was kann man tun?
Was sollte geschehen? Warum ist das so?

Verteile etwas Sand auf eine der beiden Platten. Streiche mit einem Geigenbogen durch das Kolophonium, das auf dem senkrechten Ständer angebracht ist.
Wenn du nun mit dem Geigenbogen kräftig an der Platte entlang streichst – von oben bis ganz unten –
dann versetzt du die Platte in Schwingungen.
Der Bogen muss am Ende der Bewegung von der Platte weggenommen werden.
Es ist möglich, die Platte an verschiedenen Stellen zu streichen. Man kann auch mit einem Finger der anderen Hand die Platte beim Streichen berühren.

Der Sand bildet auf der Platte Muster.
Die Schwingungen der Metallplatte sind sowohl zu hören als auch durch die Klangfiguren im Sand zu sehen.
Verschiedene Töne ergeben verschiedene Figuren.

Dies ist auch davon abhängig …
… ob man die Platte an einer anderen Stelle berührt
… an welcher Stelle man streicht
… welche Platte man benutzt

Die Klangfiguren entstehen dadurch, dass der Sand an bestimmten Stellen liegen bleibt und sich an anderen Stellen wegbewegt.
Wie in der Kundt’schen Röhre oder bei der großen Feder wird am Rand eine Welle erzeugt (hier durch den Geigenbogen). Diese wird an den Plattenrändern zurückgeworfen und es bildet sich eine stehende Welle.
Allerdings gibt es hier keine Knotenpunkte sondern Knotenlinien: Das sind die Stellen an denen der Sand liegen bleibt.
Dazwischen sind die Schwingungsbäuche: Hier wird der Sand wegbewegt.

Chladni–Klangfiguren Chladni–Klangfiguren Chladni–Klangfiguren

Sin.gen

Was kann man tun?
Was sollte geschehen? Warum ist das so?
Sprecht, singt oder summt in die Mikrofone der Station.

Die Schwingungen, die durch die Stimme erzeugt werden, werden sichtbar gemacht.Auf einem Oszilloskop sieht man diese Schwingungen meist als gezackte Linien – manchmal gelingt es den Sängern auch, eine Sinuslinie entstehen zu lassen.

Die Station ermöglicht aber auch noch weitere Experimente: Es lassen sich Lissajous-Figuren „singen“, Frequenzen bestimmen oder auch die Schallgeschwindigkeit messen.

Die Schallschwingungen, die von den Stimmbändern ausgehen und durch die Luft übertragen werden, gelangen auf die Mikrofone, die sie in elektrische Schwingungen umwandeln.

Das Oszilloskop zeigt für jeden Kanal einen Lichtpunkt, der mit der Schwingung auf und ab schwingt. Gleichzeitig wandert der Punkt schnell nach rechts. Dadurch wird eine Wellenlinie gezeichnet.

  Sinus-Singen