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Physikdepartment    Abteilung Vorlesung

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Synchronisation von Metronomen

Kurzbeschreibung

Synchronisation bezeichnet einen Prozess bei dem zwei oder mehrere Oszillatoren ihre Frequenzen und / oder Phasen aufeinander anpassen. Die Synchronisation erfolgt aufgrund einer Interaktion oder Kopplung der Systeme.
Unser Experiment geht auf Christian Huygens zurück.
Dieser studierte bereits 1657 das System einer Doppeluhr mit zwei Pendeln auf einer gemeinsamen Basis. Die Entwicklung der Doppeluhr hatte für Huygens rein praktische Gründe. Sollte eine der Uhren auf hoher See stehen bleiben, so würde die andere weiter die Zeit messen. Die beiden mit Federn angetriebenen Pendel waren an einer hölzernen Plattform angebracht, die sich auf Rollen entlang einer Schiene frei bewegen konnte. Damit die Uhr bei starkem Seegang nicht umkippte, stabilisierte sie Huygens mit zwei insgesamt etwa vierzig Kilogramm schweren Bleigewichten.
Krank im Bett liegend beobachtete Huygens eines Tages etwas Ungewöhnliches an seiner Uhr. Auch wenn die beiden Pendel anfangs nicht im Gleichtakt waren oder sogar gestört wurden, so schwangen sie nach einer guten halben Stunde phasengleich oder um 180 Grad phasenverschoben.
Eine Version des Original-Huygens-System bietet eine elegante Klassenzimmer - Demonstration in der Systeme synchronisiert werden. Das System besteht aus drei Metronomen, welche auf einem Holzbrett als Basis stehen. Das Holzbrett wiederum befindet sich auf zwei leeren Dosen.
Nun wird erst das mittlere Metronom ausgelenkt. Anschließend lenkt man die Pendel der beiden außenstehenden Metronome 180 Grad phasenverschoben aus.
Bewegt sich nun ein Pendel des Metronoms auf die rechte Seite, so schiebt dieses die Basis aufgrund des Erhaltungssatzes auf die linke Seite. Durch das Verrücken der Basis nach links werden die Pendel der anderen Metronome nach rechts, sprich auf die Seite des Pendels des ersten Metronoms gedrückt. Die dadurch etwas schnelleren Pendel wirken nun wieder dergestalt auf die Basis, dass es versucht dem langsameren Pendel entgegenzuwirken, d.h. das Pendel weniger stark zu beschleunigen. Auf diese Weise synchronisieren sich die drei Metronome etwa innerhalb einer Minute.
Als Gegenversuch kann man die Metronome ungekoppelt in asynchrone Schwingung versetzen. Jetzt tritt eine Synchronisation der Pendel nicht mehr ein.

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