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Kräfte am Federpendel

Bei einer Schwingung ändert sich die Federspannkraft Fs ständig und die Gravitationskraft Fg bleibt konstant.
In der Ruhelage sind die Gravitationskraft und die Federspannkraft identisch. Weil Fs und Fg entgegengesetzt gerichtet sind haben sie unterschiedliche Vorzeichen. Die Federspannkraft Fs ist negativ, da sie der Gravitationskraft entgegengesetz gerichtet ist.
Dadurch ist die resultierende Kraft Fr gleich Null (Bildmitte).

Es gilt: Fs = Fg und Fr = 0



Kräfte am Federpendel für die Ruhelage sowie oberhalb und unterhalb der Ruhelage

Bewegt sich das Pendel zum unteren Umkehrpunkt (im Bild rechts), so bleibt die Gravitationskraft konstant, aber die Spannkraft nimmt immer weiter zu. Dadurch ergibt sich eine immer größer werdende nach oben gerichtete resultierende Kraft.

Es gilt: Fg - Fs = Fr

Die resultierende Kraft Fr ist einfach die Differenz der Beträge der beiden Käfte. In diesem Fall ist der Betrag von Fs größer als der Betrag von Fg, deshalb ist die Differenz negativ und Fr zeigt nach oben.

Auf dem Weg zum oberen Umkehrpunkt (im Bild links) bleibt die Gravitationskraft wieder konstant, aber die Federspannkraft nimmt immer weiter ab, sodass oberhalb der Ruhelage die Federspannkraft kleiner wird, als die Gravitationskraft. Das ergibt eine positive Differenz und bewirkt eine nach unten gerichtete resultierende Kraft Fr.

Es gilt wieder: Fg - Fs = Fr

Die Geschwindigkeit während des Pendelns

Wichtig: An den Umkehrpunkten ist die Geschwindigkeit Null.
Am oberen Umkehrpunkt wirkt eine resultierende Kraft in Richtung der Ruhelage. Deshalb wird der Körper beschleunigt. Die maximale Geschwindigkeit erreicht er, wenn er die Ruhelage passiert.
Unterhalb der Ruhelage ist die resultierende Kraft nach oben gerichtet, sodass der Körper immer stärker abgebremst wird und am unteren Umkehrpunkt zum stehen kommt. Das wiederholt sich dann umgekehrt und so weiter.

Text erstellt von Stefan mit Ergänzungen von Herrn Ecker 14.2.2015.

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