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Weiterer Zeitvertreib mit Regenschirmen

Nachdem im Teil 1 gestern zu dem Zeitvertreib mit Regenschirmen zwei eher trivialere Versuche und deren physikalischen Grundlagen vorgestellt wurden, soll hier noch ein evtl. etwas aufwendiger Versuch erläutert werden.

Lautsprecher
Bei Schallwellen breiten sich die Schwingungen parallel zur Ausbreitungsrichtung aus.


Es geht hier um den Schall und gebraucht werden zwei Regenschirme. Der Versuch kann daher gerne zu zweit bzw. mit Kindern durchgeführt werden. Zunächst aber zu den Grundlagen:

Grundlagen des Schalls

Als Schall werden allgemein Schwingungen in einem elastischen Medium (also z.B. Luft oder auch Wasser) bezeichnet. Dabei breitet sich der Schall in Wellen aus. Genaugenommen handelt es sich bei den Schallwellen um eine Longitudinalwelle (auch Längswelle genannt), bei der die schwingenden Moleküle in derselben Richtung schwingen in der sich die Schallwelle ausbreitet. Im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen wie Licht, benötigt eine Schallwelle zur Ausbreitung reale Materie. Hierbei wird letztlich die Energie von Molekül zu Molekül übertragen. Im Weltraum, wo wir mal vom Vakuum ausgehen, kann man sich daher regelrecht die Seele aus dem Leib schreien und kein Geräusch würde den Gegenüber erreichen.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt natürlich vom Medium ab und dabei von der Fähigkeit der Moleküle die Energie an das benachbarte Molekül weiterzugeben. Interessant, aber nach dem vorstehenden evtl. verständlich, ist hierbei, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit in festen Stoffen schneller ist als in Gasen, also genau anders als es das bei Lichtwellen der Fall ist. Um die Gründe aber noch einmal zu verdeutlichen und da ‚doppelt gemoppelt‘ einfach besser hält, hängt das eben Gesagte damit zusammen, dass in festen Stoffen die enger zusammen liegenden Moleküle viel leichter und schneller aneinanderstoßen können als in Gasen, in denen die Moleküle generell weiter auseinander liegen (oder rumschwirren).

Als Beispiel breitet sich Schall in Luft bekanntermaßen mit etwa einer Geschwindigkeit von etwa 330 m/s aus, wobei aber noch eine leichte Temperatur-, sowie Druckabhängigkeit besteht. In flüssigem Wasser liegt die Schallgeschwindigkeit bei etwa 1500 m/s (bei 20°C und einem Normaldruck), während in Eis (bei -4°C) satte 3250 m/s (das entspricht 11700 km/h) erreicht werden. Daher ist es verständlich, dass in alten Western die Cowboys bei schwer einsehbarem Gelände immer das Ohr auf die Schienen legen, um zu hören, ob ein Zug kommt. Denn bevor man ihn aufrecht stehend über die Luft als Ausbreitungsmedium hört, wobei sich die Schallwelle hier eben nur mit den 330 m/s ausbreitet, rast die Schallwelle des Zuges im eisernen Schienenstrang mit 5170 m/s von dannen. Also hört man die Lok mit dem Ohr auf den Schienen deutlich früher, bevor man sie ‚normal‘ hört. Allerdings sollte man diesen Versuch den Westernhelden überlassen und – das sei ausdrücklich erwähnt - nicht selber nachmachen.

Zum Unterschied zwischen Schallgeschwindigkeit und Lichtgeschwindigkeit, der natürlich immer in irgendwelchen meteorologischen Artikeln behandelt wird und durch den man die Entfernung des Gewitters abschätzen kann, soll hier nicht eingegangen werden. Nur so viel: Bei Gewittern gilt der einprägsame Leitspruch des US-amerikanischen Wetterdienstes: „When Thunder roars, get indoors“ (dtsch. „ Wenn der Donner kracht, dann geh nach drinnen“):

Ansonsten ist für den nun im Folgenden vorgestellten Regenschirmversuch noch zu erwähnen, dass wenn Schallwellen auf eine Wand treffen sie dort zurückgeworfen, reflektiert werden. Und wie sich Lichtstrahlen durch einen Hohlspiegel zurückwerfen und in einem Brennpunkt sammeln lassen, so ist das auch mit Schallwellen möglich. Und genau an diesem Punkt kommen nun unsere zwei Regenschirme ins Spiel.

Regenschirmversuch

Skizze zum Regenschirmversuch
Skizze zum Regenschirmversuch: Die Uhr im "Brennpunkt" desd linken Regenschirms kann man im "Brennpunkt" des rechten Regenschirms am deutlichsten bzw. lautetsten ticken hören.


Man nehme zwei möglichst stark gewölbte Regenschirme und halte sie aufgespannt einander gegenüber, wie in der obigen Skizze zu sehen. In die Mitte des einen Regenschirms hält man eine laut tickende Uhr oder sonstige deutliche Schallquelle. In die Mitte des anderen Schirms platzieren wir unseren Kopf. Wenn man nun die Uhr (oder eben die Schallquelle, die man gerade verwendet) nach links zum Schirmgewölbe des linken Schirms verschiebt und wir gleichzeitig unseren Kopf nach rechts ebenfalls zum anderen Schirmgewölbe bewegen, dann hört man – obwohl ja die Uhr und unser Kopf sich voneinander entfernen - das Ticken der Uhr lauter. Setzten wir das weiter fort, dann erreicht die Lautstärke, die wir wahrnehmen, irgendwann einen Höhepunkt, bevor das Ticken danach wieder leiser wird.


Die Begründung für diesen Effekt ist offensichtlich folgende: Wenn wir das Ticken am lautesten hören, dann befinden sich unser Kopf und die Uhr jeweils in den Brennpunkten der „Hohlspiegel“, die in diesem Fall eben die Regenschirme sind. Dabei erreichen fast alle Schallwellen der Uhr unser Hörorgan. Das wahrgenommene Ticken müsste in diesem Fall dem Ticken entsprechen, dass wir hören, wenn die Uhr direkt neben unserem Ohr platziert ist.

Nun, das war es für das erste mit den Regenschirmen, wobei Regen an sich natürlich viele weitere faszinierende Dinge für uns parat hat. In diesem Sinne bleiben Sie neugierig.