Trigonometrische Funktionen
Abschnittsübersicht
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Chapter 1 Studifinder - 1.8 Höhere Funktionen - Trigonometrische Funktionen Anwendung
Datum Sep 28, 2026orca_hoeherefkt_trigonfkt_Trigonometrische Funktionen84bereich_5 Anwendung finden die Sinus - und Cosinusfunktion z. B. in der Physik oder auch in der Elektrotechnik.Beispiel 3beispiel_3
Die folgende Abbildung zeigt einen Versuchsaufbau und den Schwingungsverlauf zum Federpendel.Der Versuchsaufbau besteht aus einer Feder, an der die Masse hängt. Wird die Feder nicht ausgelenkt, so wird der Punkt, an der sich die Masse befindet, als Nullpunkt der Auslenkung bezeichnet. Die Feder wird nun von Hand um die Strecke ausgelenkt (die Masse wird nach unten gezogen).
Bild 30 Funktionsverlauf beim ungedämpften Federpendel
Unter der Annahme, dass das Pendel ungedämpft ist, führt die Masse nun eine Schwingung aus, die durch folgende Funktion beschrieben werden kann:
Hierbei ist die Auslenkung der Feder, die Amplitude, die Kreisfrequenz (die von den Eigenschaften des Pendels abhängt) und die Zeit.
Herleitung:
Wird die Feder um ausgelenkt, so ist hierfür die Kraft nötig (Hookesches Gesetz). Die Feder setzt dieser die Rückstellkraft
entgegen. Das Minuszeichen besagt, dass diese Kraft der Kraft entgegen gerichtet ist. Die Kraft gilt für alle aus dem Intervall , wobei die anfängliche Auslenkung war. Beim Loslassen der Masse wirkt also nur noch die Kraft auf die Masse. Diese Kraft erzeugt eine Beschleunigung mit
Offensichtlich ist die Beschleunigung abhängig von der Auslenkung der Feder:
Im Folgenden werden die aus der Physik bekannten Relationen
verwendet.
Mit können wir nun also schreiben:
Um die Bewegung der Masse zu beschreiben, muss also eine Funktion gefunden werden, die die obige Gleichung erfüllt. Wir betrachten nun die bereits zu Beginn angegebene Funktion
und können nun durch Ableiten verifizieren:
Die Funktion erfüllt also die obige Gleichung unter der Bedingung, dass
Es kann außerdem gezeigt werden, dass die einzige Funktion ist, die die Gleichung erfüllt, und bei der ist.
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Beispiel 4beispiel_4
Die Wechselspannung ändert ihre Richtung (Polung) periodisch und hat meist einen sinusförmigen Verlauf, weshalb sie auch „sinusförmige Wechselspannung“ genannt wird. Und in der Tat stimmen die Momentanwerte der Wechselspannung mit denen der Sinusfunktion überein. Die Bevorzugung dieser Spannung in der Technik gegenüber anderen Spannungen liegt zum einen in der einfachen Erzeugung und zum anderen in der verlustarmen Fernübertragung. Obwohl ihr Verlauf relativ kompliziert ist, lässt sich diese Spannung erheblich einfacher herstellen als z. B. eine „Rechteck - Wechselspannung“. Rotiert eine Leiterschleife mit konstanter Geschwindigkeit in einem homogenen Magnetfeld, so durchlaufen beide Seiten der Leiterschleife das Magnetfeld und es wird eine Spannung induziert (elektromagnetische Induktion). Die so entstehende induzierte Spannung beschreibt den Verlauf einer Sinuskurve.Die Abbildung stellt diesen Vorgang vereinfacht dar. Dabei ist links die mechanische Anordnung der rotierenden Leiterschleife im Magnetfeld dargestellt. Das Zeigerdiagramm (Mitte) vermittelt in abstrakter Form, dass die induzierte Spannung einem rotierenden Zeiger folgt. Überträgt man diese Zeigerbewegung in das rechts dargestellte Linienbild, so erhält man den Verlauf der Spannung: eine Sinusfunktion. Dabei bezeichnet man die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit (in diesem Fall eine Sekunde) als Frequenz, die in Hertz (Hz) angegeben wird. Wie im Liniendiagramm zu erkennen ist, wiederholt sich der Vorgang in regelmäßigen Zeitabständen. Und so bezeichnet man die Wiederholung gleicher Zustände als Periode. Bei der Wechselspannung ist dies je eine aufeinander folgende positive und negative Halbwelle. Die Länge einer Periode nennt man Periodendauer . Für die Periodendauer und die Frequenz ergibt sich dabei der folgende Zusammenhang:
Bild 31 Erzeugung und Darstellung einer Wechselspannung
Wie in dem Linienbild zu erkennen ist, beträgt die Länge einer Periode . Stellt man die obige Gleichung nach um und setzt den Wert für ein, so ergibt sich eine Frequenz von . Dieser Wert entspricht der in Deutschland üblichen Wechselspannung im Haushalt.Beispiel 5beispiel_5
Drehstrom ist der allgemein übliche Name für dreiphasigen Wechselstrom. Man versteht darunter ein System von drei Stromkreisen, deren Spannungen zeitlich um eine drittel Periode verschoben sind.
Bild 32 Spannungsverlauf im DreiphasensystemBeispiel 6beispiel_6
Bei der Rundfunkübertragung lassen sich niederfrequente Signale (NF) (z. B. Sprache) über das Medium Luft nicht ausreichend weit übertragen. Um diese Signale dennoch über weite Entfernungen zum Rundfunkhörer übertragen zu können, verwendet man sog. Modulationsverfahren, die im Hochfrequenzbereich arbeiten. Dabei werden die Signalparameter des Trägersignals in Abhängigkeit von dem modulierenden Signal beeinflusst. Eines dieser Verfahren ist die sog. Amplitudenmodulation.Die obige Abbildung stellt die einzelnen Signale bei einer AM dar. Dabei steht zu Beginn das NF - Signal (Nutzsignal), das übertragen werden soll. Das Trägersignal dient dabei als „Transportmittel“. Mit Hilfe einer elektronischen Schaltung wird die Amplitude des Trägersignals durch das NF - Signal so beeinflusst, dass das daraus resultierende modulierte Signal sowohl das Träger - als auch das NF - Signal enthält. Nach der Übertragung lässt sich das NF - Signal durch einen gegenläufigen Vorgang (Demodulation), wieder zurückerhalten. Mathematisch lässt sich dieser Vorgang wie folgt beschreiben: Für das Nutzsignal erhalten wir und für das Trägersignal ergibt sich . Dieses Nutzsignal wird nun mit der hochfrequenten Trägerschwingung multipliziert und anschließend zum Trägersignal addiert. Für das AM - Signal erhalten wir somit:
Bild 33 Beispiel zur Amplitudenmodulation
Um direkt Ablesen zu können mit welchen Signalen das Trägersignal genau moduliert wird, kann dieser Ausdruck nun mithilfe des Additionstheorems
umgeformt werden und wir erhalten für das modulierte Trägersignal:
Es enthält die unmodulierte Trägerschwingung mit und zwei Schwingungen mit den Frequenzen und jeweils der Amplitude .Beispiel 7beispiel_7
In der Schaltung der folgenden Abbildung wird ein Kondensator zunächst über den Schalter in Stellung mit einer Gleichspannungsquelle auf die Spannung aufgeladen. Anschließend wird der Schalter in Stellung gebracht und der Kondensator wird über die parallel geschaltete Spule entladen. Dabei sinkt die Kondensatorspannung nicht linear auf Null ab, wie man dies bei der Entladung über einen ohmschen Widerstand kennt, sondern die Spannung fällt sinusförmig ab. Beim Entladen eines Kondensators über eine Spule entsteht somit eine Schwingung. Diese Schaltung aus Kondensator und Spule wird daher Schwingkreis genannt. Bei dieser Schaltung hängt die Frequenz der entstehenden Schwingung allein von der Kapazität und der Induktivität ab.Die Entstehung der Schwingung im Schwingkreis beruht auf dem ständigen Austausch von Energie zwischen dem Kondensator und der Spule. Durch die Entladung des Kondensators entsteht ein Magnetfeld, was den Kondensator mit umgekehrter Polung wieder auflädt. Dabei ändern sich die Stromstärke und die Spannung sinusförmig. Die Schwingung verläuft nur dann ungedämpft, wenn der Schwingkreis keinen ohmschen Widerstand (Wirkwiderstand) enthält. Die folgende Abbildung veranschaulicht diesen Vorgang.
Bild 34 Elektrischer SchwingkreisDie Momentanwerte von Spannung und Strom lassen sich dabei wie folgt berechnen:
Bild 35 Darstellung des Strom- und Spannungsverlaufs bei einem elektrischen Schwingkreis
Dabei bedeuten: : Momentanwert des Stromes : Amplitude des Stromes : Momentanwert der Spannung : Amplitude der Spannung ( Ladespannung von ) : Eigenfrequenz, es gilt : Zeit
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