Physikalisches Pendel

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Bei einem physikalischen Pendel (auch physisches Pendel genannt) handelt es sich um ein theoretisches Modell zur Beschreibung der Schwingung eines realen Pendels. Im Gegensatz zum mathematischen Pendel werden hierbei Form und Größe des Körpers berücksichtigt, wodurch das Verhalten physikalischer Pendel eher dem realen Pendel entspricht.

Das physikalische Pendel besteht aus einem ausgedehnten, starren Körper, welcher nicht in seinem Schwerpunkt aufgehängt im Schwerefeld nach einer Auslenkung aus seiner Gleichgewichtslage schwingt. Nicht berücksichtigt werden zugunsten der Lösbarkeit Reibungskraft sowie größere Amplituden.

Die Schwingungsdauer des physikalischen Pendels ergibt sich (Herleitung mittels des Drehmoments siehe unten) zu T = \frac {2 \pi} {\omega} = 2 \pi \sqrt{\frac {I} {mgd}}

wobei  {\omega} die Kreisfrequenz,  I das Trägheitsmoment bzgl. des Aufhängepunktes,  m die Masse des Körpers,  g die Schwerebeschleunigung und  d der Abstand vom Aufhängungspunkt zum Massenmittelpunkt ist.

Reduzierte Pendellänge[Bearbeiten]

Unter der reduzierten Pendellänge versteht man die Länge  l_r = \frac {I} {md} , äquivalent der Länge  l in der Schwingungsgleichung des mathematischen Pendels gleicher Schwingungsdauer. Gleichzeitig wird über diese Größe der Schwingungs- oder Stoßmittelpunkt festgelegt. Dieser nicht mit dem Schwerpunkt des Pendels zu verwechselnde Ort hat die Eigenschaft, dass ein dorthin gerichteter Stoß keinerlei Lagerreaktion im Aufhängungspunkt des Pendels erzeugt. Des Weiteren ändert sich die Schwingungsdauer eines physikalischen Pendels nicht, wenn Aufhängepunkt und Schwingungsmittelpunkt vertauscht werden (siehe auch Reversionspendel).

Mathematische Beschreibung[Bearbeiten]

Zur Berechnung der Schwingungsdauer bedient man sich zweier unterschiedlicher Ansätze für das auf das physikalische Pendel wirkende Drehmoment,  \vec M = \vec r \times \vec F und  M = I \ddot {\varphi} , die sich auch beim mathematischen Pendel anwenden lassen.

Angenommen, der Pendelkörper ist im Ursprung aufgehängt und kann in der xy-Ebene schwingen, wobei die Schwerkraft in negative y–Richtung wirkt. Dann lässt sich die Lage des Schwerpunkts des Körpers im Ruhezustand durch  \vec r_s = d \begin{pmatrix} 0 \\ -1 \\ 0 \end{pmatrix} , im um  {\varphi} ausgelenkten Zustand durch  \vec r_{\varphi} = d \begin{pmatrix} \sin {\varphi} \\ -\cos {\varphi} \\ 0 \end{pmatrix} beschreiben. Nun lässt sich das auf das physikalische Pendel wirkende Drehmoment wie für eine im Schwerpunkt des Pendels liegende Punktmasse gleicher Masse berechnen: \vec M= \vec r_{\varphi} \times \vec F = 
\begin{pmatrix} d \sin {\varphi} \\ -d \cos {\varphi} \\ 0 \end{pmatrix}
\times 
\begin{pmatrix}0 \\ -m g\\ 0 \end{pmatrix}= 
-m g d \begin{pmatrix}0 \\ 0 \\ \sin {\varphi} \end{pmatrix}

Das auf das Pendel wirkende Drehmoment besitzt nur eine Komponente  M_z= -m g d \cdot \sin {\varphi} in z-Richtung, es steht also senkrecht auf der Schwingungsebene.

Durch Gleichsetzen mit dem Ansatz  M_z= I \ddot {\varphi} (Drehmoment eines ausgedehnten Körpers) und anschließendes Umformen erhält man die Gleichung  \ddot {\varphi} + \frac {m g d} {I} \sin {\varphi} = 0 , wobei sich der Sinus für kleine Winkel mit  \sin {\varphi} \approx {\varphi} annähern lässt. Die Gleichung  \ddot {\varphi} + \frac {m g d} {I} {\varphi} = 0 beschreibt eine harmonische Schwingung mit  {\omega}^2 = \frac {m g d} {I} , die Schwingungsdauer des Pendels beträgt T = \frac {2 \pi} {\omega} = 2 \pi \sqrt{\frac {I} {m g d}}.