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Akustik

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Als die Drähte noch sangen…

Telegraphenleitung
Vielfach Drähte zum Bedarfe
Hoch auf schlanker Stangen Gipfel,
Recht wie eine Äolsharfe
Für der Staatskunst Schnaderhüpfel.*

Als ich diesen von „Telegraphenmasten“** gesäumten Weg entlang ging, fühlte ich mich fast in alte Zeiten zurückversetzt. Doch irgendetwas fehlte – der raunende, irgendwie außerirdisch klingende Gesang der Drähte, der früher bei stärkerem Wind direkt und bei mäßigerem Wind dadurch zu vernehmen war, dass man das Ohr an einen der Masten hielt.
Die Ursache für die feine Melodie lag in den Drähten, die durch den Wind zum Schwingen angeregt wurden und als eine Art Äolsharfe wirkten.
Obwohl es bei der Aufnahme dieses Fotos ordentlich wehte, blieb der Äolsklang aus. Die Ursache für das Schweigen liegt in der Dicke der Drähte. Im Unterschied zu früher sind diese – wenn man sie denn überhaupt noch antrifft – in der heutigen Zeit mit einer dicken Isolierschicht umgeben. Das erkennt man auch daran, dass die glockenartigen Isolatoren an den Masten entbehrlich geworden sind.
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* Dieses Gedicht aus dem Jahre 1856 von Franz Grillparzer (1791 – 1872) zeigt, dass bereits damals der äolische Gesang (hier als eine Art Spottgesang – Schnaderhüpfel (bayr. bezeichnet), der gewissermaßen von Staats wegen mit Leitungen durch die Lande geführt wurde, nicht unbemerkt blieb. Ab den 1950er Jahren ging es dann allerdings abwärts mit dieser Staatskunst. Der Motorenlärm der Autos auf den Straßen übernahm die akustische Führerschaft. Schade eigentlich, denn wie das Foto zeigt, gibt es zuweilen noch fast autofreie Straßen, die von Telegrafenleitungen gesäumt sind.

** In den meisten Fällen handelt(e) es sich gar nicht um Leitungen des Telefonnetzes, sondern um Leitungen, in denen elektrische Energie in die Haushalte geliefert wurde.

Der Summstein im Botanischen Garten

In manchen Parkanlagen, die dazu angetan sind die Sinnenwahrnehmung zu fördern, findet man zuweilen den sogenannten Summstein. Der hier abgebildete Stein befindet sich im Botanischen Garten der Universität Münster. Die Idee zu solchen meist auch künstlerisch anspruchsvollen Objekten stammt vor allem von Hugo Kükelhaus (1900 -1984). Er hat in sogenannten Erfahrungsfeldern zur Entfaltung der Sinne Erlebnisausstellungen realisiert, in denen durch aktive Teilnahme (Experimentieren und Erforschen) die Besucher*Innen eingeladen sind, ihre Sinne schärfen und anregen lassen.
Eine Tafel neben dem Summstein erklärt, wie man mit ihm umgehen sollte.
Hier der Text:
Stecke Deinen Kopf in die Höhlung des Summsteins und summe so stark (am besten in einer tiefen Tonlage), dass das Summen in ein leichtes Dröhnen übergeht.
Dieses „Dröhnen“ wir als eine den ganzen Körper ergreifende, wohltuende Vibration empfunden. Ihre Wirkungsweise ist mit der des Echohörens verwandt.
Man entdeckt, dass die Stimme nicht nur dem Informationsaustaustauch dient, sondern als Schwingungsorgan den ganzen Organismus belebt.

Die beim Summen in dem begrenzten Hohlraum des Steins ausgesendeten Schallwellen werden an den Wänden reflektiert. Wenn man durch Variation der Stimmlagen beim Summen die akustischen Frequenzen findet, die zur Resonanz mit den reflektierten Wellen geraten, lässt sich der Ton verstärken. Dabei gelingt es, diese Schwingungen auf den eigenen Körper zu übertragen. Das dabei ausgelöste Gefühl wird oft als stimulierend bis euphorisierend empfunden.

Fingerschnippen mit Knalleffekt

Von einem gewissen Punkt an
gibt es keine Rückkehr mehr.
Franz Kafka (1883–1924)

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 3 (2022), S. 72 – 73

Beim Zusammendrücken von Daumen und Mittelfinger wird Energie elastisch gespeichert und schließlich schlagartig freigegeben.

Das Fingerschnippen ist vermutlich so alt wie die Menschheit. Das visuell-akustische Signal, das zwischen Mittelfinger und Daumen einer Hand erzeugt wird, lässt sich beispielsweise bereits bei den alten Griechen nachweisen, wie ein bemaltes Gefäß von zirka 320 v. Chr. bezeugt. Die Geste ist unvermindert populär, auch wenn sich der Kontext und die Bedeutung mit der Zeit und der Gesellschaft ändern. Heute beordert man auf die Weise kaum noch Bedienstete zu sich, dafür hoffen Schülerinnen und Schüler vorgezogen zu werden, indem sie sich fingerschnalzend melden.

Diese Art der Tonerzeugung wirkt eleganter und müheloser als das laute Händeklatschen. Dort kommt es beim Aufeinandertreffen der Handflächen zu Stoßwellen, die sich durch einen Knall bemerkbar machen. Erstaunlicherweise gelingt das beim Schnippen ebenfalls, obwohl dabei nur zwei Finger mit relativ kleiner Fläche aus sehr kurzer Entfernung zusammengebracht werden. Wie man mit etwas Experimentieren selbst herausfinden kann, entsteht das typische Geräusch nicht etwa auf Grund des als kraftvoll empfundenen Aneinandergleitens von Mittelfinger und Daumen, sondern erst dadurch, dass der Finger auf den Handballen unterhalb des Daumens auftrifft. Der Mechanismus ist überaus wirkungsvoll und ermöglicht große Geschwindigkeiten des Mittelfingers, die zum Auslösen von Schallwellen mehr als ausreichen. Auf keine andere Weise lässt sich auf derart begrenztem Raum mit nur zwei Fingern einer Hand ein auch nur annähernd so gut hörbarer Laut hervorbringen.

Welches physikalische Geheimnis steckt hinter dem Schnippen? Beim Ablauf werden zunächst Daumen und Mittelfinger aufeinander gepresst, und zwar mit der Tendenz sie zu scheren, das heißt sie gegeneinander zu verschieben und innerhalb der Gewebe Spannung aufzubauen. Die Hautoberflächen bleiben am Kontaktpunkt anfangs zusammen, während sich tiefere Schichten der Finger bereits verlagern. Sie werden dabei ähnlich unter Druck gesetzt wie eine elastische Feder, und eine rückwirkende Kraft entsteht. Die Reibungskraft zwischen den Kuppen muss so dosiert werden, dass sie zunächst bremsend wirkt und ein vorschnelles Abgleiten unterbindet. Das funktioniert nur mit passend beschaffenen Oberflächen. Mit nassen oder fettigen Fingern gelingt Schnippen daher kaum.

Schließlich überschreitet die auf Daumen und Mittelfinger ausgeübte Scherkraft ein kritisches Maß. Sie wird größer als die Haftreibungskraft, und es kommt zum abrupten Übergang zur Gleitreibung. Das setzt die gesamte elastische Spannenergie plötzlich frei. Dadurch wird der Mittelfinger stark beschleunigt und trifft mit enormer Rotationsgeschwindigkeit auf den Ballen unterhalb des Daumens. Bis zu dem Auslösepunkt kommt es sehr auf die intuitiv ausgeübte, subtile Kontrolle des Drucks zwischen Daumen und Mittelfinger an.

Vier US-Forscher um Raghav Acharya vom Georgia Institute of Technology in Atlanta haben die Details des Fingerschnippens experimentell und theoretisch näher untersucht. In ihrer im November 2021 veröffentlichten Analyse stellten sie mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera fest, dass dabei Rotationsgeschwindigkeiten von 7800 Grad pro Sekunde erreicht werden, was 1300 Umdrehungen pro Minute entspricht. Der ganze Vorgang dauert nur etwa sieben Millisekunden und ist damit zwanzigmal schneller als ein Augenblinzeln. Überhaupt können wir kaum eine andere Bewegung derart explosiv ausführen. Hinsichtlich der Drehgeschwindigkeit erreicht ein professioneller Baseballspieler zwar noch leicht höhere Werte, aber was die Beschleunigungen angeht, sind diese beim Fingerschnippen den Studienautoren zufolge die größten, die je bei Menschen gemessen wurden.

Bei ihren Versuchen variierten die Forscher einige der relevanten Parameter, insbesondere den Reibungskoeffizienten. Dazu verwendeten sie unterschiedliche Materialien wie Gummihandschuhe oder Fingerhüte. Sie wiesen nach: Die anfängliche Energiespeicherung vermittels der Haftreibung ist für das Phänomen von entscheidender Bedeutung. Eine wesentliche Rolle spielen außerdem die elastischen Eigenschaften der biologischen Gewebe, etwa deren Komprimierbarkeit.

Die Forscher beließen es nicht bei der Dokumentation des realen Prozesses, sondern entwickelten auf Basis ihrer Ergebnisse ein mathematisches Modell des Fingerschnippens. Sie gingen stark vereinfachend davon aus, dass die Wechselwirkung zwischen den beiden Fingern einem Feder-Masse-System entspricht (siehe »Federnde Finger«). Dabei wirkt eine Kraft, die über eine Feder vermittelt wird, durch Reibung auf eine andere Masse ein, die zunächst als Riegel dient. Die Federkraft ist variierbar. Die davon abhängige Reibungskraft führt als Haftreibung zu einer Speicherung elastischer Energie. Diese wird dann beim Entriegeln auf einmal freigesetzt und beschleunigt urplötzlich eine Masse, die an der Feder befestigt ist.

Die Wissenschaftler erhoffen sich auf Basis ihres Modells eine Erklärung für ähnliche Vorgänge im Tierreich. Zum Beispiel schnappen manche Termiten und Ameisen mit ihren Mundwerkzeugen auf vergleichbare Weise. Darüber hinaus könnten die Erkenntnisse die Entwicklung von fein steuerbaren Aktuatoren für technische Anwendungen unterstützen.

Diese Art, Finger aneinander schnalzen zu lassen, ist die effektivste – aber nicht die einzige. Wenn die Hand mit bewusst schlaff gelassener Muskulatur in eine Art Schleuderbewegung versetzt wird, schlägt schließlich der Zeigefinger auf den Mittelfinger auf. Mit etwas Übung erzeugt auch das ein lautes Geräusch. Vielleicht wäre das ja ein Gegenstand für ein zukünftiges Forschungsvorhaben.

Quelle

Acharya R. et al.: The ultrafast snap of a finger is mediated by skin friction. Journal of the Royal Society Interface 18, 2021. https://doi.org/10.1098/rsif.2021.0672

Die Herrschaft des Lichts zum 4. Advent

Die Flamme einer Kerze hat trotz ihrer weitgehenden Erklärung durch die Naturwissenschaften nichts an ihrer Faszination verloren. Das zeigt die vorweihnachtliche Zeit auf eindrucksvolle Weise. Ein akustischer Aspekt, der wohl eher die Stimmung der brennenden Kerze betrifft und einen Flammenträumer zum Flammendenker werden lässt, führt zu der Frage, warum das schweigsame Wesen seiner Kerze plötzlich zu ächsen beginnt. Für Franz von Baader (1765 – 1841) geht dieses Knarren, dieser Schreck, „einem jeden stillen oder geräuschvollen Anzünden voraus“. Dieser Laut wird erzeugt „durch den Kontakt zweier gegensätzlich wirkender Prinzipien, von denen das eine das andere behindert oder es sich untertan macht.“ Die Flamme muß sich beim Brennen stets neu entzünden und gegenüber einer rohen Materie die Herrschaft des Lichts bewahren. Hätten wir ein feineres Ohr, so würden wir die Echos dieser inneren Bewegung vernehmen. Der Anblick läßt zu leicht den Gedanken zu, es gäbe hier Vereinigungen. Doch ganz im Gegenteil verbinden sich die knisternden Geräusche nicht. Die Flamme spricht alle Kämpfe die es bestehen muß, um eine Einheit zu bewahren.*

In der Abbildung sehen wir eine Kerzenflamme, die auf irgendeine Weise verdoppelt (oder sogar verdreifacht?) erscheint. Ist dieser Effekt einzig dem 4. Advent zu verdanken?
(Hilfe für eine Antwort findet man hier.)


* Gaston Bachelard. Die Flamme einer Kerze. München 1988, S. 45f

Das singende Teesieb

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 10 (2021), S. 68 – 69

Daß vom reinlichen Metalle
Rein und voll die Stimme schalle

Friedrich Schiller (1759–1805)

Trifft ein Wasserstrahl auf die Lochstruktur eines Edelstahlsiebs, ist manchmal ein Pfeifton zu hören. Er entsteht, wenn Wasserwirbel periodisch auf das Blech zurückwirken und Resonanzschwingungen anregen.

Früher wurde die Teepause von einem Pfeifen eingeläutet, heute wird sie eher damit beendet. Jedenfalls hat der Kessel für die Herdplatte mit seinem schrillen Flöten inzwischen beinahe ausgedient, während Teesiebe aus Edelstahl immer größere Verbreitung finden. Sie sorgen für ein seltsames akustisches Phänomen: Zahlreiche Videos im Internet zeigen die Utensilien, wie sie beim Reinigen im Spülbecken Töne von sich geben.

Die Zufallsentdeckung ist nach kurzem Ausprobieren leicht reproduzierbar, und unter den passenden Umständen offenbaren verschiedene Fabrikate ihre Musikalität. Zum einen muss der Wasserstrahl das Metall mit einer gewissen Geschwindigkeit treffen. Diese nimmt mit der Fallhöhe zu. Bei manchen Sieben reicht der Abstand zwischen Wasserhahn und Spülbecken nicht aus, und das Kunststück gelingt nur im Badezimmer oder mit dem Gartenschlauch. Zum anderen tönt die gelochte Fläche nur dann, wenn sie unter einem bestimmten Winkel getroffen wird. Um den für das Pfeifen optimalen Bereich zu finden, empfiehlt es sich, das Sieb unter dem Wasserstrahl ein wenig zu heben und zu senken und dabei die Neigung zu variieren. Am besten funktioniert es, indem der Strahl den flachen Boden trifft (siehe »Reinigen unter Pfiffen«). Im Lauf einer Reihe von Experimenten konnten mein Kollege Wilfried Suhr und ich sogar ein Sieb an der Mantelseite zum Tönen bringen.

Lochblech aus der Nähe: Ein Wasserstrahl durchdringt das schräg gestellte Sieb teilweise und bildet auf der Rückseite einen Wasserwulst (Pfeil), in dem die Mechanismen zur Tonentstehung ablaufen.

Der relativ kräftige Ton lässt auf eine Schwingung schließen, zu der das auftreffende Wasser das Lochblech anregt. Berührt man das Metall in der Nähe des Strahls, dämpft das den Vorgang, und das Pfeifen verschwindet. An allen übrigen Stellen kann das Sieb hingegen angefasst werden, ohne damit den Ton zu beeinflussen.

Was dabei genau passiert, hat Wilfried Suhr in einer 2020 veröffentlichten Arbeit zusammengefasst. Der auf die Siebfläche prallende Strahl wirkt wie ein mechanischer Schwingungserreger, der zum Beispiel eine Lautsprechermembran vibrieren lässt. Doch das Wasser strömt gleichförmig aus dem Hahn. Woher kommt der Rhythmus, mit dem es das Blech auslenken und in Schwingung versetzen könnte? Es genügt dafür nicht, dass es mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit auf einen passenden Abschnitt des Lochblechs auftrifft. Darüber hinaus muss ihm durch eine geeignete Wechselwirkung eine Frequenz aufgeprägt werden.

Den Taktgeber entdeckt man bei einem genaueren Blick auf die Auftreffstelle. Längs des geneigten Blechs staut sich eine Strömung auf, die teilweise durch die Löcher hindurch auf die andere Seite gelangt (siehe »Lochblech aus der Nähe«). Wenn man die diversen Strömungsbereiche geschickt manipuliert und den Einfluss kleiner Störungen beobachtet, findet man heraus: Die Töne werden von einem länglichen Wasserwulst unterhalb des unmittelbaren Aufpralls hervorgebracht. Dort entsteht eine zeitlich periodische Wasserbewegung – für die wiederum die regelmäßige Lochstruktur notwendige Voraussetzung ist.

Synchronisation: Schematische Darstellung der Wirbelablösung an einer gelochten Wandung. Gekoppelte Wirbelpaare des gleichen Entstehungszyklus sind gleichfarbig markiert.

Die Blechstege zwischen den Löchern spalten nämlich den Wasserstrom auf und erfüllen dabei eine ähnliche Funktion wie gespannte Saiten in einem Luftstrom. Diese lösen jeweils eine Folge paarweise entgegengesetzter Wirbel aus, eine so genannte kármánsche Wirbelstraße. Sie stoßen sich gewissermaßen vom Draht ab, woraufhin er schwingt. Wenn dabei eine seiner Eigenfrequenzen angeregt wird, gerät er in Resonanz und ruft in der umgebenden Luft periodische Verdichtungen und Verdünnungen hervor. Sie werden als Ton wahrnehmbar. So entstehen beispielsweise die Klänge einer Äolsharfe (siehe »Spektrum« November 2020, S. 52).

Ein vergleichbares, nur wesentlich komplexeres Geschehen spielt sich beim Teesieb ab. Im Bereich des Wasserwulstes entstehen hinter den regelmäßigen metallischen Stegen gleich mehrere solcher Wirbelstraßen, die hier aus Wasserwirbeln bestehen. Sie üben in ähnlicher Weise Kräfte auf die angeströmte Fläche des Siebs aus und bringen dessen Eigenschwingungen zur Resonanz. Jedes der vielen benachbarten Wirbelpaare wirkt auf dieselbe Region des Blechs zurück. Zu einer einheitlichen kollektiven Schwingung des ganzen Siebbereichs kommt es nur, wenn die Wirbel sich synchron ablösen und ihre Einzelkräfte gegenseitig verstärken (siehe »Synchronisation«). Passiert das wirklich? Fotografische Untersuchungen des Strömungsfelds an einem vergrößerten und vereinfachten Modell legen nahe, dass die Wirbel angrenzender Löcher tatsächlich aneinander koppeln, während sie sich vom Blech entfernen.

Das Phänomen ist relativ robust gegenüber Störungen. Schwingt das durchströmte Element des Siebs in Resonanz mit der Anregungsfrequenz der Wirbel, so ändert sich daran auch dann nichts, wenn die Auftreffgeschwindigkeit des Wassers in gewissen Grenzen variiert. Das schwingende Blech rastet auf die Eigenschwingung ein. Infolge dieses »Lock-in«-Verhaltens bleibt die Tonhöhe erhalten. Abweichungen zwischen Anregungs- und Resonanzfrequenz senken allerdings die Amplitude. Die verringerte Auslenkung macht sich dann in einer entsprechend abnehmenden Lautstärke bemerkbar.

Bei einem Exemplar eines Teesiebs ist es uns durch Variation der Falldistanz des Wassers sogar gelungen, unterschiedliche Eigenschwingungen des Lochblechs in Resonanz zu versetzen und damit Pfeifgeräusche verschiedener diskreter Frequenzen anzuregen. Mit der Länge des Strahls wuchs auch die jeweilige Tonhöhe. Bei Fallhöhen zwischen zwei Tonstufen und außerhalb des Lock-in-Bereichs verstummte das Teesieb jedoch.

Quelle

Suhr, W.: Pfeiftöne vom Teefilter. Physik und Didaktik in Schule und Hochschule, 2020

Originalpublikation

Verkündigung durch die Röhre

Daß die wichtigsten Dinge durch Röhren getan werden, Beweise erstlich die Zeugungsglieder, die Schreibfeder und unser Schießgewehr, ja was ist der Mensch anders als ein verworrenes Bündel Röhren*. Die Liste in dieser von Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799) gemachten Aussage könnte fast beliebig ergänzt werden. Man denke nur an das Fernrohr, an U-Bahnen, Tunnel und die allenthalben präsente Verkabelung der Welt mit Strom- und neuerdings vor allem Datenleitungen im Großen und im Kleinen – auch wenn es sich bei letzteren um Röhren handelt, in denen keine Materie im herkömmlichen Sinne fließt, sondern vor allem Energie. Weiterlesen

Spirale 11 – Leben in der Spirale

Die ersten Schnecken tauchen bei mir im Garten auf. Obwohl ich mich ärgere, wenn sie ohne zu fragen den Salat ernten, habe ich meinen Frieden mit ihnen geschlossen. Das schließt nicht aus, dass ich sie verbanne, sobald sie überhand nehmen. Aber danach sieht es in diesem Jahr nicht aus. Die Schnecke vermag nämlich das Leben zu bereichern, wenn man beispielsweise an ihre irisierenden Schleimspuren, akrobatische Abseilungen,  ausgeklügelten Konstruktionen und andere Aktionen denkt oder den kunstvollen Aufbau ihres Schneckenhauses betrachtet. Elisabeth Tova Bailey war durch eine Krankheit und die dadurch bedingte Fesselung ans Bett bedingt eine Wohngemeinschaft mit einer Schnecke eingegangen und weiß darüber Erstaunliches zu berichten. Hier eine Passage aus einem lesenswerten Buch: Weiterlesen

Die Stille gibt keine Ruhe

Physikalisch gesehen ist Stille die Abwesenheit von Schall. Die uns umgebende Luft ist in völliger Ruhe. Nichts schwingt, was das Trommelfell zum Mitschwingen anregen könnte. Doch wie „hört“ sich Stille an? Kann man absolute Stille überhaupt erleben? Weiterlesen

Klappern gehört zum Handwerk

Dieser Spruch fiel mir ein, als ich den Buntspecht (Foto) zum ersten Mal auf dem Balkon direkt neben meinem Schreibtischfenster entdeckte. Er macht sich hier jetzt schon seit Monaten über die Meisenknödel her, die eigentlich für kleinere Vögel gedacht waren. Während letztere lautlos an der Speise nippen – wenn man einmal von kleineren akustisch untermalten Streitereien absieht – bearbeitet der Specht (es ist ein Männchen) mit kurzen, sehr schnellen Trommelwirbeln die Brüstung, die fast überall im Haus zu hören sind. Ich bekomme schon vom bloßen Hinschauen Kopfschmerzen. Weiterlesen

Aeolsorgelmusik am frühen Morgen

Es ist ein wenig windig auf dieser morgendlichen Wanderung durch die Krummhörn. Wind ist hier fast immer, davon zeugen zahlreiche Windkraftanlagen, die die natürlichen Luftströme auf technische Weise visualisieren und ihnen dabei auch noch Energie abnehmen. Aber es gibt auch die eher unspektakulären, leisen Töne, die – wie einst die Sirenen Odysseus betörten – mich zu einer Brücke locken, aus dessen Richtung die außerirdisch klingende Musik kommt. Weiterlesen

Der Klang des tropfenden Wassers

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 2 (2019), S. 60 – 61

Das typische Pling entsteht nicht direkt beim Aufprall
auf die Wasseroberfläche, sondern erst darunter – wenn
mitgerissene Luft ins Schwingen gerät.

Und müssen Tropfen fallen,
Wenn wir entzückt werden sollen?
Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832) Weiterlesen

Das Rasseln des Klatschmohns

Das Klatschmohnjahr ist noch nicht zu Ende, auch wenn die Pflanzen schon eifrig dabei sind, für das nächste Jahr vorzusorgen, indem sie ihre Samen in mehr oder weniger großen Kapseln sammeln. Diese sind nicht nur schön anzusehen, sondern können auch zu einem überraschenden Hörerlebnis werden. Sobald die Kapseln verholzen haben sich die vielen kleinen Samenkörner in ihnen gelöst und sind wie in einem Salzstreuer frei beweglich (im Foto rechts unten). Weiterlesen

Klatschmohn – Vom grünen zum gelben Hintergrund

Weil es die Aehre verschmäht, sich mit der Farbe zu zieren,
Hat die Natur ihr den Mohn dicht an die Seite gestellt;
Jener hat sie die Kraft vertraut, den Menschen zu nähren,
Diesem verlieh sie den Reiz, welcher sein Auge erfreut.
Jene frage drum nicht: wo sprießen dir nützliche Körner?
Oder dieser: wo trägst du den erquicklichen Schmuck?
Wenn die Eine uns fehlte, so könnten wir freilich nicht leben,
Aber wir mögten es nicht, wäre der And’re nicht da!

Friedrich Hebbel (1813 – 1863) Weiterlesen

Der vielstimmige Gesang der Fliegen

Singende-Fliegen-IMG_6758brDas Summen von Fliegen wird meist als Geräusch empfunden, das nicht gerade positive Empfindungen auslöst. Wer käme schon auf die Idee, das monotone Summen oder Brummen der Fliegen in Beziehung zu einer Fuge von Bach zu setzen. Wer da anderer Meinung wäre, würde wohl kaum ernst genommen werden.
Indessen zeigen Untersuchungen, die schon vor Jahren an der Universität Massachusetts durchgeführt wurden, dass die Melodien der Fliegen jeweils als harmonische Einheiten von 12 bis 16 Stimmen unterschiedlichen Timbres aufgefasst werden können, die zusammen einen komplexen, polyphonen Klang ergeben. Musikalisch geschulte Personen sollten sich diese Vielstimmigkeit wie georgischen Volksgesang anhören, in dem sich die Stimmen zu einem harmonischen Ganzen vereinigen.
Übrigens sind für die Klangentstehung des Fliegengesumms die Unterflügel verantwortlich. Von ihrer Stellung hängt die Tonhöhe und Klangfarbe der Fliegenmusik ab.

Aeolus-Orgel – das Raunen des Windes

Aeolsflöte-1Wenn ich diese Brücke überquere höre ich häufig, einen feinen auf- und abschwellenden tiefen Ton wie auf einem Alphorn geblasen. Er ist so rein, dass er aus dem Einerlei des akustischen Hintergrunds deutlich hervorsticht. Lange war mir der Ton ein Rätsel. Mir ging dabei allerlei dummes Zeug durch den Kopf. Als ich schließlich feststellte, dass der Ton vom Wind abhängig war, fand ich die Ursache in Form eines beschädigten Rohrpfosten im Brückengeländer. Wie man an dem vergrößerten Ausschnitt (Abbildung unten) gut erkennen kann, enthält dieser einen deutlich erkennbaren Riss. Er ist für den Wind so etwas wie das Mundstück, das Rohr eine Flöte. Indem der Wind das Rohr tangential umspielt, wird wie beim Blasen auf einem Schlüssel eine Schwingung der Luftsäule im Rohr angeregt. Weiterlesen

Der Cappuccino- Effekt

Clip_139Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/6 (2013), S. 54-55

Du lebst in einem klingenden Weltall,
wo alles Rhythmus, Klang, Takt und Akkord ist:
… die großen natürlichen Geräusche, der künstliche Lärm
umgeben dich wie ein zitterndes und verwickeltes Tongewebe,
das du unaufhörlich zu lesen und zu unterscheiden versuchst.
Georges Duhamel (1884 – 1966)

 

Luftbläschen in einer schwingenden Flüssigkeitssäule verändern die Höhe der entstehenden Töne viel stärker, als man erwarten würde.

Diesen Effekt kennen wir alle: Kommt der Milchschaum auf dem servierten Cappuccino als kleines Kunstwerk daher, trinkt auch das Auge mit. Hingegen weiß kaum jemand, dass beim Kaffeetrinken sogar dem Ohr einiges geboten wird. Was zuerst auffällt, ist der leise Kling-Klang, den der Löffel erzeugt, wenn er beim Umrühren gegen die Tassenwand stößt. Doch das ist nichts gegen den Cappuccino-Effekt. So altbekannt das Phänomen ist, so überraschend wirkt es auf denjenigen, der es gerade erst entdeckt. Er muss nur zufällig auf die Idee gekommen sein, den Löffel, mit dem er kurz zuvor den Milchschaum in den Cappuccino gerührt hat, mehrere Male leicht gegen die Tasse zu schlagen. Dann steigt bei jedem Schlag unüberhörbar der Ton an, als klettere er eine Tonleiter hinauf.
Das ist nicht nur bei Kaffee der Fall. Vom „hot chocolate effect“ sprach etwa Frank Crawford, der 1982 die erste physikalische Abhandlung darüber verfasste. Auch in vielen weiteren Fällen entdeckte der 2003 verstorbene Emeritus der University of California, Berkeley, die merkwürdige Tonhöhenzunahme, etwa nachdem er Pulverkaffee oder Kakao in heißes Wasser gerührt oder heißes Wasser aus dem Hahn auf bestimmte Weise in ein Glas gefüllt hatte. Mit Brausetabletten funktioniert der Effekt ebenfalls. Selbst Bier und andere kohlensäurehaltige Getränke lassen die Töne steigen – am eindrucksvollsten dann, wenn man Sand oder Salz hineinstreut. Auf diese Idee muss man allerdings erst einmal kommen.
Der offensichtliche Teil des Geschehens erschließt sich praktisch von selbst: Der Cappuccino-Effekt hat mit den aus dem Getränk entweichenden Luft- oder allgemeiner Gasblasen zu tun. Rührt man Schaumbläschen unter den Kaffee und nutzt dann den Löffel, um von außen gegen das Trinkgefäß zu schlagen, nimmt die Tonhöhe so lange zu, wie die Blasen wieder aus dem Getränk aufsteigen. Weil Cappuccino relativ stabilen Schaum bildet, lässt sich der Effekt sogar viele Male wiederholen. Denn der wesentliche Teil des Schaums sammelt sich bald wieder an der Oberfläche. Als wäre der Kaffee wie eine Spieluhr erneut aufgezogen worden, beginnt das Spiel nach jedem Umrühren von vorn.
Doch was genau wird hier gespielt? Einer der weniger offensichtlichen Aspekte des Geschehens liegt in der Entstehung des Klangs. Wenn man das Gefäß von der Seite anschlägt, sind die mechanisch- akustischen Verhältnisse ziemlich kompliziert. Denn nicht nur die Füllhöhe des Getränks, sondern auch durch die Form und das Material des Trinkgefäßes bestimmte komplexe Biegeschwingungen tragen zum entstehenden Klang bei.
Erleichtern wir uns also die Argumentation, indem wir einen Spezialfall prüfen: ein volles möglichst zylindrisches Glas, gegen das wir von unten schlagen. Dann bestimmt vor allem die schwingende Flüssigkeitssäule das Klanggeschehen. Da die Schallgeschwindigkeit in Wasser (1500 Meter pro Sekunde) diejenige in Luft (340 Meter pro Sekunde) um mehr als das Vierfache übertrifft und sich die Tonhöhe als Frequenz f = Schallgeschwindigkeit v / Wellenlänge λ berechnet, klingt ein mit Wasser gefülltes Glas mehr als viermal so hoch wie ein „leeres“, also luftgefülltes.
Die Formel verrät auch, dass ein niedrigeres, aber ebenso volles Glas noch höhere Töne erklingen lässt. Als Grundschwingung der Flüssigkeitssäule ergibt sich aus der Berechnung eine stehende Welle mit einem Schwingungsknoten am geschlossenen unteren Ende und einem Schwingungsbauch am offenen oberen Ende des Glases; die Wellenlänge der Grundschwingung beträgt also gerade das Vierfache der Säulenlänge (nebenstehende Abbildung). Sinkt die Höhe des Glasrands, sinkt auch die Wellenlänge λ, dafür steigt die Frequenz f.
Derart vorbereitet, können wir nun unser eigenes Experiment angehen. Greifen wir zum Kaffelöffel oder zu den Brausetabletten und erzeugen eine Melange aus viel Wasser und wenig Luft. Dann klopfen wir mit dem Löffel an das Glas. Was ist zu erwarten? Weil dem Wasser Luft zugefügt wurde, ist davon auszugehen, dass die Tonhöhe niedriger ist. Denn in der Luft ist die Schallgeschwindigkeit ja kleiner als in Wasser. Wegen der geringen Luftmenge sollte die Frequenzerniedrigung allerdings klein sein.
Dann aber stellen wir völlig überrascht fest, dass beim Klopfen die Tonhöhe gleich um mehrere Oktaven steigt, bis das Wasser wieder luftfrei ist! Die Frequenzerniedrigung durch Einrühren der Luft muss also erheblich gewesen sein. Woran liegt das? Wie wir gleich sehen werden, ist die Schallgeschwindigkeit in Luft für diesen Effekt fast völlig ohne Belang – das Geheimnis liegt im Wasser. Dazu muss man folgendes wissen: Ganz allgemein gilt, dass die Schallgeschwindigkeit aus zwei voneinander unabhängigen Gründen sinkt: zum einen sinkt sie mit steigender Dichte des Mediums, zum anderen aber auch mit dessen steigender Kompressibilität, also seiner „Zusammendrückbarkeit“. Dass es nicht allein auf die Dichte ankommen kann, haben wir schon daran gesehen, dass die Schallgeschwindigkeit in Wasser höher ist als die in Luft. Entscheidend ist die Kompressibilität des Mediums. Im Wasser pflanzt sich Schall also deshalb sehr schnell fort, weil die hohe Dichte des Mediums durch seine extrem geringe Kompressibilität (man sagt: Wasser ist inkompressibel) weit mehr als ausgeglichen wird. Umgekehrt verringern die Luftbläschen in unserem Experiment zwar die Dichte der Wassersäule ein wenig. Gleichzeitig erhöhen sie aber enorm ihre Kompressibilität, und senken dadurch die Schallgeschwindigkeit und mit ihr die Frequenz entsprechend stark.
Frank Crawford hat übrigens auch mit einem inversen Cappuccino-Effekt experimentiert. Er drehte den Heißwasserhahn an und wartete bis zu genau dem Moment, in dem nicht mehr kaltes, sondern warmes Wasser daraus zu fliesen begann. Durch die Erwärmung des Wassers ist die Löslichkeit der Luft gesunken und sobald das Wasser nicht mehr unter dem erhöhten Druck der Wasserleitung steht, scheidet die überschüssige Luft in Form von Bläschen aus. In dieser Situation  befüllte Crawford sein Glas und brachte es zum Klingen. Dabei musste er sich allerdings beeilen, denn die sinkende Tonhöhe ist nur während einer kurzen Zeitspanne zu hören: Die Bläschenbildung dauert genau so lange, bis sich ein neues Druckgleichgewicht eingestellt hat. Kommt sie zum Erliegen, erklingt wieder der ganz normale Cappuccino-Effekt.

Literatur:

Crawford, F. S.: The Hot Chocolate Effect. In: American Journal of Physics 50, S. 398 – 404, 1982.

PDF: Der Cappucino-Effekt

Die Melodie des Teekochens

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in der Schule 33/1, 22-23 (1995).

Als weitere der zahlreichen bekannten Varianten dieser Erkenntnis möchte ich das merkwürdige akustische Verhalten von Wasser beim morgentlichen Teekochen erwähnen. Mir fiel eines Tages auf, dass ich im Laufe der Zeit zu meinem Teekessel, in dem ich das Teewasser zum Sieden bringe, eine Art persönliches Verhältnis entwickelt habe: Das den Kochvorgang begleitende Geräusch, ist mir zu einer liebgewonnenen Melodie geworden. Sie untermalt die übrigen Frühstücksvorbereitungen und informiert mich über den zeitlichen Ablauf des Wasserkochens. Ich habe mittlerweile mehr intuitiv als bewußt (das merke ich bei dem vorliegenden Versuch einer analytischen Beschreibung des Vorgangs) die Noten erkannt, bei denen ich die Herdplatte ausschalten muß, damit die Restwärme es gerade noch schafft, das Wasser zum Sprudeln zu bringen. Natürlich hängt das von der Füllmenge des Wassers ab. Aber auch beim Einfüllen des Leitungswassers habe ich es inzwischen gelernt, das  tonhöhenmäßig anschwellende Füllgeräusch als Füllhöhe oder Wassermenge zu interpretieren…

PDF:Die Melodie desTeekochens

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