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Erwünschte Resonanz - ein Beispiel aus dem Alltag physikalisch erklärt

Wer kennt nicht das Video, bei dem die Tacoma-Brücke durch Resonanzschwingungen in Stücke bricht? Allerdings ist Resonanz nicht immer unerwünscht, es gibt auch erwünschte Schwingungen dieser Art.

Saiteninstrumente sind Beispiele für erwünschte Resonanz.
Saiteninstrumente sind Beispiele für erwünschte Resonanz.

Was Sie benötigen:

  • Grundwissen "Physik"

Resonanz - was ist das?

  • In Resonanz können im Prinzip alle Körper oder Systeme gelangen, die zu Schwingungen fähig sind, egal ob eine Schaukel, die Unruh einer Uhr oder ein (mehr oder weniger komplexes) organisches Molekül.
  • Jedes schwingungsfähige System hat eine sog. Eigenfrequenz, die von seiner Bauart abhängt. Bei einer Stimmgabel ist dies beispielsweise die Frequenz, für die sie gebaut ist, meist der Kammerton "a" mit 440 Hz. Bei einem Pendel hängt die Eigenfrequenz von der Pendellänge ab, jeder Uhrenbauer kennt diesen Sachverhalt.
  • Lenkt man den Körper aus bzw. schlägt man die Stimmgabel an, dann schwingen diese in ihrer Eigenfrequenz (und tun dies bis in alle Ewigkeit, wenn es die Reibung nicht als Gegenspieler gäbe).
  • Wird einem schwingungsfähigen System nun von außen Energie zugeführt, beispielsweise, indem Sie die Schaukel ständig anstoßen, so werden erzwungene Schwingungen in der von außen ausgeprägten Frequenz ausgeführt. 
  • Liegt diese sog. Erregerfrequenz nun in der Nähe der Eigenfrequenz oder trifft sie diese sogar recht genau, dann gerät das System in Resonanz: Die Amplitude, also die größte Weite der Auslenkung, vergrößert sich und erreicht ein Maximum.
  • Bei nicht ausreichender Dämpfung gerät das System dann an seine mechanische Belastbarkeitsgrenze und wird zerstört, so wie es bei der Tacoma-Brücke durch (in der Frequenz passende) Windböen der Fall war. Dieser Sachverhalt wird Resonanzkatastrophe genannt und ist im Fall von Brücken natürlich unerwünscht. 
  • Übrigens hatte auch die Londoner Fußgängerbrücke über die Themse ein ähnliches Problem. Durch darüberlaufende und -hüpfende Passanten geriet sie in gefährliche Schwingungen. Das Problem wurde durch zusätzliche Dämpfungskörper an der Brücke (weitreichend) behoben.

Fazit: Resonanz tritt immer dann auf, wenn ein System erzwungene Schwingungen ausführt, bei denen die Erregerfrequenz mit der Eigenfrequenz des Systems übereinstimmt. Allerdings hängt es von der Dämpfung des Systems ab, ob eine Resonanzkatastrophe eintritt und das System dabei zerstört wird.

Resonanz - erwünscht bei Musikinstrumenten

  • Anhand der bekannten Beispiele könnte man annehmen, dass Resonanz meist ein unerwünschter und zu vermeidender Fall ist.
  • Allerdings wird Resonanz auch genutzt, um beispielsweise Musikinstrumenten angenehme Klänge zu entlocken. Dabei handelt es sich um eine erwünschte Resonanz.
  • So werden Instrumente wie Geigen, Gitarren etc. mit einem sog. Resonanzkörper versehen, die durch ihren Bau zum entscheidenden Klang des Instruments beitragen, indem sie mitschwingen. Gerade in der Wahl der Materialien und der Gestaltung dieser Klangkörper liegt die Kunst des Musikinstrumentenbaus.
  • Eine andere Anwendung für eine erwünschte Resonanz ist der Zungenfrequenzmesser, ein Gerät, mit dem sich die Frequenz einer Schwingung messen lässt. Er besteht aus einer relativ großen Zahl kleiner Plättchen. Regt man diese mit der zu messenden Frequenz an, so wird das Plättchen mit der passenden Eigenfrequenz in eine erwünschte Resonanz geraten und die größte Amplitude zeigen, sprich: am deutlichsten ansprechen.
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