Jedes schwingungsfähige System besteht aus einem Erreger, einer Masse und einem kraftvermittelnden Medium dazwischen. Resonanz entsteht, wenn dieses System periodisch mit der Eigenfrequenz angeregt wird. Im Maschinenbau ist Resonanz ein eher unerwünschtes Phänomen.
Hat sie erst richtig schaukeln gelernt, schwingt sie in der Eigenfrequenz der Schaukel – und kommt hoch hinaus.
Das zerspringende Weinglas, die sich aufschaukelnde Brücke, der unruhige Motor: Immer ist das Phänomen Resonanz im Spiel. Jedes schwingungsfähige System (Oszillator) kann durch Massen und Steifigkeiten vollständig beschrieben werden. Daraus lässt sich mathematisch die Eigenfrequenz herleiten.
Bringt man etwa ein Pendel aus seiner Ruhelage, führt es eine Bewegung aus: es schwingt. Die Frequenz, mit der diese Schwingung ausgeführt wird, bezeichnet man als Eigenfrequenz. Der Weg, den das Pendel um seinen tiefsten Auslenkpunkt ausführt, wird als Amplitude bezeichnet. Durch den Einfluss des Luftwiderstandes wird die Amplitude gedämpft und somit kleiner.
Oszillator und Erreger im Gleichtakt
Stößt man das Pendel an, wird der Luftwiderstand ausgeglichen und der Ausschlag (Amplitude) beibehalten. Diese Schwingung bezeichnet die Physik als „erzwungen". Wird der Pendel periodisch, also immer in gleichen Zeitabständen, angestoßen, erfolgt der Ausschlag mit der Frequenz der periodischen Anregung: der Erregerfrequenz.
Liegt diese Erregerfrequenz in der Nähe der Eigenfrequenz, schaukeln sich die Schwingungen ungedämpft bis zu unendlich großen Amplituden auf. Dann spricht man von Resonanz.
Resonanz: Schwingungen schaukeln sich auf
Ein Kind, das richtig schaukeln gelernt hat, schubst die Schaukel in genau der richtigen Frequenz an: in ihrer Eigenfrequenz. So erhöht sich von Mal zu Mal die Amplitude. Die Schwingung schaukelt sich auf. Das Kind freut sich über die erreichte Höhe – ausnahmsweise einmal eine willkommene Resonanzerscheinung.
Im Maschinen- und Anlagenbau ist das Phänomen der Resonanz in der Regel eher unerfreulich. Resonanzen und das damit verbundene Aufschaukeln der Schwingungen senkt die Laufruhe von Maschinen. Und das kann zu ernsthaften Problemen führen.
Glossar:
Amplitude (= Schwingungsweite): Auslenkung einer Schwingung aus ihrer Ruhelage (der Lage des arithmetischen Mittels) bis zum Maximalwert.
Frequenz (von Lateinisch: frequentia = Häufigkeit): Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit. Kehrwert der Periodendauer. Maß für die Geschwindigkeit, mit der bei einem periodischen Vorgang Wiederholungen aufeinander folgen. Einheit: Hz.
Eigenfrequenz: Eine Frequenz, mit der ein System nach einmaliger Anregung schwingt.
Resonanz (von Lateinisch: resonare = widerhallen, ertönen): Allgemein: Widerhall, das Echo also, das einer Aktion folgt. Physik: Mitschwingvorgang, den ein schwingungsfähiges System zeigt, wenn es von außen periodisch angeregt wird. Voraussetzungen: Die Erregerfrequenz ist gleich oder nahezu gleich der Eigenfrequenz des angeregten Systems.
Resonanzfrequenz: eine Frequenz, bei der ein System bei periodischer Anregung besonders stark, also mit besonders großer Amplitude schwingt.
Schwingung (= Oszillation): sinusförmige Wechselgröße, sich wiederholende Schwankung einer Größe um einen Mittelwert. Neben Mechanik, Akustik und Elektrotechnik auch beispielsweise in Biologie und Wirtschaft.
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