Der gedämpfte harmonische Oszillator
Differentialgleichungen – Kapitel 3
M. Ladecký, L. Pastewka
IMTEK, Universität Freiburg
Lernziele
Die Studierenden sollen…
- … die Bewegungsgleichung des gedämpften harmonischen Oszillators erläutern und den charakteristischen Ansatz anwenden können.
- … die drei Dämpfungsregime (Schwingfall, Kriechfall, aperiodischer Grenzfall) unterscheiden und deren physikalische Bedeutung erklären können.
- … die Resonanzfrequenz und Amplitude erzwungener Schwingungen berechnen können.
Der gedämpfte harmonische Oszillator
- Eines der wichtigsten Modelle in Physik und Ingenieurwissenschaft
- Schwingendes System, das Energie durch Reibung/Widerstand dissipiert
- Bewegungsgleichung:
\[
m\ddot{x} + c\dot{x} + kx = 0
\]
- \(m\): Masse, \(c\): Dämpfungskoeffizient, \(k\): Federkonstante
- \(c\dot{x}\): geschwindigkeitsproportionale Dämpfung (viskose Reibung, Luftwiderstand)
Der charakteristische Ansatz
- Exponentialansatz für lineare DGLs mit konstanten Koeffizienten:
\[
x(t) = e^{\lambda t}, \quad \dot{x} = \lambda e^{\lambda t}, \quad \ddot{x} = \lambda^2 e^{\lambda t}
\]
- Einsetzen und Division durch \(e^{\lambda t} \neq 0\) → charakteristische Gleichung:
\[
\lambda^2 + 2\gamma\lambda + \omega_0^2 = 0
\]
Lösungen der charakteristischen Gleichung
\[
\lambda_{1,2} = -\gamma \pm \sqrt{\gamma^2 - \omega_0^2}
\]
- Das Verhalten hängt vom Vorzeichen der Diskriminante \(\gamma^2 - \omega_0^2\) ab
- Drei Fälle:
- \(\gamma < \omega_0\): Schwingfall (komplexe Lösungen)
- \(\gamma > \omega_0\): Kriechfall (reelle Lösungen)
- \(\gamma = \omega_0\): aperiodischer Grenzfall (Doppelwurzel)
Schwache Dämpfung (Schwingfall)
- \(\gamma < \omega_0\): Diskriminante negativ → komplexe Lösungen \[
\lambda_{1,2} = -\gamma \pm i\omega_\mathrm{d}, \qquad \omega_\mathrm{d} = \sqrt{\omega_0^2 - \gamma^2}
\]
- Gedämpfte Frequenz \(\omega_\mathrm{d}\) liegt unterhalb von \(\omega_0\)
- Allgemeine Lösung (mit Eulerscher Formel): \[
x(t) = A e^{-\gamma t} \cos(\omega_\mathrm{d} t + \phi)
\]
- Gedämpfte Schwingung: Amplitude \(Ae^{-\gamma t}\) nimmt exponentiell ab
- \(A\), \(\phi\) aus den Anfangsbedingungen
Starke Dämpfung (Kriechfall)
- \(\gamma > \omega_0\): Diskriminante positiv → \(\lambda_1, \lambda_2\) reell und negativ
\[
x(t) = C_1 e^{\lambda_1 t} + C_2 e^{\lambda_2 t}
\]
- Beide Exponenten negativ → exponentielles Abklingen ohne Oszillation
- Das System kehrt monoton zur Ruhelage zurück
- Dämpfung so stark, dass sie Schwingungen verhindert
Kritische Dämpfung (aperiodischer Grenzfall)
- \(\gamma = \omega_0\): Diskriminante null → Doppelwurzel \(\lambda_1 = \lambda_2 = -\gamma\)
- Zweite linear unabhängige Lösung durch Multiplikation mit \(t\):
\[
x(t) = (C_1 + C_2 t)\, e^{-\gamma t}
\]
- Schnellste Rückkehr zur Ruhelage ohne Überschwingen
- Praktisch erwünscht z.B. bei Stoßdämpfern und Messgeräten
Erzwungene Schwingungen
- Äußere periodische Kraft → inhomogene DGL: \[
m\ddot{x} + c\dot{x} + kx = F_0 \cos(\omega t)
\]
- Allgemeine Lösung = homogene Lösung + partikuläre Lösung
- Homogene Lösung: Eigenschwingung, klingt mit der Zeit ab
- Partikuläre Lösung: stationäre Schwingung mit Anregungsfrequenz
- Ansatz für die stationäre Lösung: \[
x_\mathrm{p}(t) = A \cos(\omega t - \phi)
\]
Amplitude und Phase
Einsetzen und Koeffizientenvergleich liefert:
\[
A(\omega) = \frac{F_0/m}{\sqrt{(\omega_0^2 - \omega^2)^2 + (2\gamma\omega)^2}}
\]
\[
\tan\phi(\omega) = \frac{2\gamma\omega}{\omega_0^2 - \omega^2}
\]
- Amplitude \(A\) und Phasenverschiebung \(\phi\) hängen von der Anregungsfrequenz \(\omega\) ab
Resonanz
- \(A(\omega)\) hat ein Maximum nahe der Eigenfrequenz \(\omega_0\)
- Resonanzfrequenz: \[
\omega_{\text{res}} = \sqrt{\omega_0^2 - 2\gamma^2}
\]
- Schwache Dämpfung: \(\omega_{\text{res}} \approx \omega_0\), hohes scharfes Maximum
- Starke Dämpfung: Resonanz kann verschwinden, Amplitude fällt monoton
- Grenzfall \(\gamma \to 0\): Amplitude bei \(\omega = \omega_0\) → unendlich (ungedämpfte Resonanz)
Resonanz: Phasenverhalten
- Phase \(\phi\) = zeitliche Verzögerung zwischen Anregung und Antwort
- Niedrige Frequenzen: System folgt der Anregung fast ohne Verzögerung (\(\phi \approx 0\))
- Bei der Eigenfrequenz: Phasenverschiebung genau \(90°\)
- Hohe Frequenzen: \(\phi \to 180°\) — System schwingt gegenphasig zur Anregung
Energiebetrachtung
- Gesamtenergie aus kinetischer und potentieller Energie: \[
E(t) = \frac{1}{2}m\dot{x}^2 + \frac{1}{2}kx^2
\]
- Mit der Bewegungsgleichung \(m\ddot{x} = -c\dot{x} - kx\) folgt: \[
\frac{\mathrm{d}E}{\mathrm{d}t} = -c\dot{x}^2 \le 0
\]
- Dissipierte Leistung \(\propto\) Geschwindigkeitsquadrat → Umwandlung in Wärme
- Erzwungene Schwingung: zugeführte Leistung = dissipierte Leistung → konstante Amplitude
Gütefaktor
\[
Q = \frac{\omega_0}{2\gamma}
\]
- Verhältnis zwischen gespeicherter und dissipierter Energie
- Hoher Gütefaktor: schwache Dämpfung, scharfes Resonanzmaximum
- Niedriger Gütefaktor: starke Dämpfung, breites flaches Resonanzmaximum
- Interpretation: Anzahl der Schwingungen, bis die Amplitude auf \(1/e\) abgefallen ist
- Schwach gedämpfte Systeme: \(Q \gg 1\)
Beispiele: Schwach gedämpfter Oszillator
\(m = 1\,\text{kg}\), \(k = 100\,\text{N/m}\), \(c = 2\,\text{Ns/m}\), \(x_0 = 0.1\,\text{m}\): \(\omega_0 = 10\,\text{rad/s}\), \(\gamma = 1\,\text{s}^{-1}\) → Schwingfall, \(x(t) = 0.1\, e^{-t}\cos(9.95\,t)\,\text{m}\)
Beispiele: Vergleich der Dämpfungsregime
Gleiche Anfangsbedingungen (\(x_0 = 0.1\,\text{m}\), \(\dot{x}_0 = 0\)), drei Dämpfungen:
Beispiele: Resonanzkurve
Schwach gedämpfter Oszillator unter harmonischer Anregung (\(F_0 = 10\,\text{N}\)):
Je stärker die Dämpfung, desto breiter und flacher das Resonanzmaximum.
Zusammenfassung
- Bewegungsgleichung \(\ddot{x} + 2\gamma\dot{x} + \omega_0^2 x = 0\); Exponentialansatz führt auf die charakteristische Gleichung \(\lambda^2 + 2\gamma\lambda + \omega_0^2 = 0\)
- Drei Dämpfungsregime: Schwingfall (\(\gamma < \omega_0\)), Kriechfall (\(\gamma > \omega_0\)), aperiodischer Grenzfall (\(\gamma = \omega_0\))
- Kritische Dämpfung: schnellste Rückkehr zur Ruhelage ohne Überschwingen
- Erzwungene Schwingungen zeigen Resonanz: Amplitude maximal nahe \(\omega_0\); Dämpfung bestimmt Breite und Höhe des Maximums
- Energie wird mit \(\dot{E} = -c\dot{x}^2\) dissipiert; der Gütefaktor \(Q = \omega_0/(2\gamma)\) charakterisiert die Dämpfung