Angeregte Schwingungen und Resonanz

Auch eine Flüssigkeit kann schwingen und hat daher eine bestimmte Resonanzfrequenz. Wenn deine Schrittfrequenz gerade zufällig diese Resonanzfrequenz trifft, dann kann sich die Wasseroberfläche aufschaukeln, und die Suppe oder der Kaffee schwappen über (F23). Du kannst das durch Ändern deiner Schrittfrequenz verhindern. Die Resonanzfrequenz einer Flüssigkeit hängt vom „Behälter“ ab. Das kann ein Teller, aber auch eine ganze Bucht sein. Je kleiner dieser „Behälter“ ist, desto größer ist die Resonanzfrequenz.

Maximaler Unterschied zwischen Ebbe und Flut an verschiedenen Stellen in der Bay of Fundy.

Der Unterschied zwischen Ebbe und Flut am freien Ozean beträgt nur etwa einen halben Meter. In der Bay of Fundy in Kanada kann der Unterschied an manchen Tagen aber 17 Meter betragen. Das ist Weltrekord! Der Grund dafür ist, dass sich die Bucht zum Ozean wie ein Teller zur Suppe verhält. Weil die Bucht so groß ist, beträgt die natürliche Schwingungsperiode 13 Stunden. Das entspricht aber beinahe der Zeit zwischen zwei Fluten (12,5 Stunden). Die hohe Flut ist also auf ein Resonanzphänomen zurückzuführen (F24).

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine diagnostische Technik zur Darstellung der inneren Organe und Gewebe und wird seit Mitte der 1980er angewandt. Die exakte Funktionsweise kann man nur mit Hilfe der Quantenmechanik verstehen, deshalb wird hier nur das grundlegende Prinzip vorgestellt.

Bei der MRT nutzt man die Tatsache aus, dass Protonen und somit auch der gesamte Atomkern einen Eigendrehimpuls (Spin) besitzen (deshalb sagt man zur MRT auch Kernspintomographie). Durch den Kernspin wirkt jeder Atomkern, salopp gesagt, wie ein kleiner Magnet. Legt man ein künstliches, sehr starkes Magnetfeld an, dann können die Kernspins beim Bestrahlen mit elektromagnetischen Wellen in Resonanz geraten und absorbieren dabei diese Wellen. Bei welcher Frequenz das passiert, hängt vom Element und somit von der Gewebsart ab. Ähnlich wie beim Schichtröntgen kann man so die Art des Gewebes im Körper Schicht für Schicht erkennen und dreidimensional darstellen (folgende Abb.). Das Verfahren ist so wichtig, dass schon vier Nobelpreise dafür vergeben wurden. Es darf aber nicht mit dem PET-Scanner verwechselt werden

3d-Darstellung mit Hilfe der MRT.

Auch Weinliebhaber können sich freuen. Mit der MRT kann man nämlich ohne Öffnen der Flasche erkennen, ob alte Weine noch in Ordnung sind. Ein verdorbener Wein enthält Essigsäure, und die kann man mit der MR erkennen. Das ist gut, denn wer möchte schon um 30.000 Euro eine Flasche Essig kaufen?

Man hört sie ständig, die Autohupen. Aber hast du dir einmal überlegt, wie so eine Hupe funktioniert?

Funktionsweise einer Autohupe

Eine Hupe ist im Prinzip eine Mischung aus Klingel und Lautsprecher. Sobald jemand auf die Hupe drückt, beginnt Strom durch die Spule zu fließen. Diese erzeugt dadurch ein Magnetfeld und zieht die Membran an (b). Dadurch wird der Stromkreis unterbrochen, es gibt kein Magnetfeld mehr, und die Membran schwingt wieder in die Ausgangsstellung zurück ©. Dadurch schließt sich der Stromkreis und so weiter.

Eines der bekanntesten Beispiele für eine Resonanzkatastrophe ist der Einsturz der Tacoma-Brücke 1940 in Amerika. Im Volksmund war diese Fehlkonstruktion einer Hängebrücke schon vorher galoppierende Gertie genannt worden, weil sie zu unkontrollierten Schwingungen neigte.

Vier Monate nach der Eröffnung begann bei einer Windgeschwindigkeit von 60 km/h der Mittelteil heftig zu schwingen. Zuerst gab es Auf- und Abschwingungen mit rund 0,6 Hz und einer Amplitude von 0,5 m. Aber dann setzte eine Drehschwingung mit einer Frequenz von 0,2 Hz ein. Und kaum zu glauben: Zeitweise war der rechte Gehweg über 8 m höher als der linke und umgekehrt (siehe folgende Abb.)! Vor allem diese Schwingung brachte die Brücke zum Einsturz. Eine Folge davon war, dass heute alle Hängebrücken vor ihrem Bau als Modell im Windkanal getestet werden. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass neben der Resonanzkatastrophe aber auch noch andere Gründe eine Rolle gespielt haben müssen.

Links sieht man die starken Verwindungen, rechts stürzt die galoppierende Gertie ein. Film