Vibrationsenergie

Vibrationsenergie bezeichnet die Energiemenge, die durch mechanische Schwingungen eines Körpers, Systems oder Materials gespeichert oder übertragen wird. Sie setzt sich aus der kinetischen Energie der bewegten Massen sowie aus der potenziellen Energie durch elastische Verformungen zusammen. In realen Systemen geht ein Teil der Energie durch Dämpfung in Wärme verloren.

Am einfachsten lässt sich das Konzept am harmonischen Oszillator erklären: Eine Masse m ist an einer Feder der Konstanten k befestigt. Die Auslenkung x(t) erzeugt eine potenzielle Energie 1/2 k x^2, während die kinetische Energie 1/2 m v^2 ist. Die Gesamtenergie E bleibt (bei idealer Dämpfung) konstant und verteilt sich periodisch zwischen E_k und E_p. Für eine Beschreibung des Amplitudenverhaltens spielt die Eigenfrequenz ω = sqrt(k/m) eine zentrale Rolle; die maximale Energie eins Totalsystems hängt von der Amplitude A ab: E = 1/2 k A^2 = 1/2 m ω^2 A^2.

In der Praxis treten Dämpfung und äußere Anregung auf. Dämpfung wandelt Energie in Wärme um, wodurch die Schwingung allmählich abklingt. Je nach Eigenschaften eines Systems lässt sich die Qualität Q der Schwingung beschreiben, die angibt, wie lange sie besteht.

Anwendungen der Vibrationsenergie umfassen die Ernte von Energie aus Umgebungs- oder Maschinenvibrationen (z. B. piezoelektrische oder elektromagnetische Generatoren), Strukturüberwachung durch Schwingungsanalyse, Maschinenbau und Bauwesen sowie in der Mikro- und Nanotechnologie. In Festkörpern spielt zudem die Phononenkonzept eine Rolle, das die quantisierte vibrierende Energie beschreibt.