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Beispiel: Masse an Feder

Eine Masse m ist am Ende einer senkrecht herabhängenden Feder befestigt. Die Feder ist an der Decke eines Aufzugs aufgehängt, der sich mit der konstanten Beschleunigung a nach oben bewegt.

Gesucht: das Weg-Zeit-Gesetz der Masse in dem im Aufzug verankerten Bezugssystem.  

Eine an einer Feder befestigte Masse wird mit einem Aufzug nach oben beschleunigt

Die Newtonsche Bewegungsgleichung liefert eine lineare Differentialgleichung 2. Ordnung mit konstanten Koeffizienten:

mit der Einheitssprungfunktion . Umformung ergibt:

   Die Feder gehorcht dem Hookeschen Gesetz mit der Federkonstanten k. Die Kreisfrequenz ist .
Anfangsbedingung: Zur Zeit soll die Masse nicht ausgelenkt sein und sich nicht bewegen: .

Die Lösung wird mit Hilfe der Laplace-Transformation in drei Schritten ermittelt:

1. Transformation vom Original- in den Bildbereich:

2. Algebraische Lösung der Differentialgleichung im Bildbereich:

3. Rücktransformation vom Bild- in den Originalbereich:

ist das Produkt der zwei Bildbereichsfunktionen und : Zur Lösung kann der Faltungssatz herangezogen werden. Dazu müssen die zu und gehörigen Originalfunktionen und anhand der Transformationstabellen bestimmt werden:

Die gesuchte Lösung im Originalbereich ist nach dem Faltungssatz das Faltungsprodukt von und :

Die Lösung beschreibt eine harmonische Schwingung der Feder mit der maximalen Auslenkung .

Die Auslenkung der Masse m als Funktion der Zeit

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