Bei diesem Experiment wird untersucht, wie sich die Schallausbreitung einer mechanischen Eieruhr unter Normaldruck im Vergleich zu einem evakuierten Exsikkator verhält. Dazu wird die Eieruhr in beiden Umgebungen ausgelöst und die wahrnehmbare Lautstärke sowie mögliche Klangveränderungen analysiert. Diese Untersuchung bietet Einblicke in die akustischen Eigenschaften von Gasen und deren Bedeutung für die Schallausbreitung.
Null-Hypothese: Die Schallintensität und -ausbreitung der mechanischen Eieruhr ist unter Normaldruck und im evakuierten Exsikkator identisch.
1. Einleitung
Schall ist eine mechanische Welle1[Schallwellen sind Druckschwankungen in einem Medium, die sich in Form von longitudinalen Wellen ausbreiten], die zur Ausbreitung ein Medium benötigt. In dieser Arbeit wird die Abhängigkeit der Schallausbreitung von der vorhandenen Luftdichte untersucht, indem eine mechanische Eieruhr in einem normaldruckbehafteten und einem evakuierten System zum Läuten gebracht wird. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, ein besseres Verständnis für die Bedeutung von Gasen als Übertragungsmedium für Schall zu gewinnen.
2. Material und Methoden
Material:
- Mechanische Eieruhr
- Exsikkator2[Ein Exsikkator ist ein luftdicht verschließbarer Behälter, der zur Trocknung und Lagerung von Proben in trockener Umgebung genutzt wird] mit Vakuumpumpe3[Eine Vakuumpumpe ist ein Gerät, das Gase aus einem geschlossenen System entfernt, um einen Unterdruck zu erzeugen]
- Schallpegelmesser4[Ein Schallpegelmesser ist ein Gerät zur Messung der Lautstärke von Schall in Dezibel (dB)]
- Manometer5[Ein Manometer ist ein Messgerät zur Bestimmung des Drucks in Gasen oder Flüssigkeiten] zur Drucküberwachung
Durchführung:
- Die mechanische Eieruhr wird außerhalb des Exsikkators auf einer schallreflektierenden Unterlage platziert und ausgelöst.
- Die Lautstärke der Eieruhr wird mit dem Schallpegelmesser in einer konstanten Entfernung aufgezeichnet.
- Anschließend wird die Eieruhr im Exsikkator platziert.
- Der Exsikkator wird mit der Vakuumpumpe evakuiert, bis ein weitestgehender Vakuumzustand erreicht ist.
- Die Eieruhr wird innerhalb des evakuierten Exsikkators erneut ausgelöst.
- Die Lautstärke wird unter denselben Bedingungen gemessen.
Beschaffung:
- Vakuumpumpe: Eine Vakuumpumpe ist für vielerei Experimente eine sehr lohnenswerte Anschaffung. Die ich sehr empfehlen kann.
- Exsikkator oder Vakuumkammer: Sehr nützlich für Unterdruckversuche.
- Kombination aus Vakuumpumpe und größerer Vakuumkammer
- Schallpegelmesser
- z.B.: Tadeto Digital 30dB bis 130dB
- Per App: Physics Toolbox Sensor Suite
3. Ergebnisse
Nach dem Auslösen der Eieruhr unter Normaldruck war ein deutlicher Tick- und Klingelton wahrnehmbar. Die gemessene Lautstärke betrug ca. 60 dB in 20 cm Entfernung. Im evakuierten Exsikkator war hingegen kein akustisches Signal wahrnehmbar. Der Schallpegelmesser zeigte in diesem Zustand nur minimalste Ausschläge, die im Bereich von Hintergrundgeräuschen lagen.
4. Diskussion
Die Ergebnisse bestätigen die physikalische Notwendigkeit eines Mediums für die Schallausbreitung. Unter Normaldruck wird der erzeugte Schall durch Luftmoleküle weitergeleitet, wodurch er hörbar ist. Im evakuierten Exsikkator fehlen jedoch weitestgehend Luftmoleküle, sodass die mechanischen Schwingungen der Eieruhr nicht oder nur stark vermindert an die Umgebung übertragen werden. Dies entspricht dem physikalischen Prinzip, dass Schallwellen longitudinale Druckwellen6[Longitudinale Druckwellen sind Wellen, bei denen die Schwingungsrichtung der Teilchen parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle verläuft] sind, die eine materielle Wechselwirkung benötigen.
Schallwellen entstehen durch mechanische Schwingungen einer Schallquelle, die periodische Druckänderungen im umgebenden Medium hervorrufen. Diese Druckänderungen pflanzen sich in Form von Verdichtungen und Verdünnungen der Teilchen fort. Die Geschwindigkeit, mit der sich Schall ausbreitet, ist von den physikalischen Eigenschaften des Mediums abhängig und folgt der Gleichung:
wobei c die Schallgeschwindigkeit, E das Elastizitätsmodul des Mediums und p die Dichte des Mediums ist. Da im Exsikkator die Dichte der Luft stark verringert wird, sinkt auch die Fähigkeit des Mediums, Schall zu transportieren.
Die Schallintensität I ist proportional zum Quadrat des Schalldrucks p:
Da im nahezu luftleeren Raum des Exsikkators der Schalldruck gegen null geht, nimmt auch die Intensität drastisch ab, wodurch der Schall nicht mehr hörbar ist. Das Fehlen eines Übertragungsmediums erklärt, warum die mechanischen Schwingungen der Eieruhr keine hörbaren Geräusche außerhalb des Exsikkators erzeugen.
Ein weiteres wichtiges Konzept ist die akustische Impedanz , definiert als:
Da die Dichte im Exsikkator nahezu null ist, wird der Schall fast vollständig an den Wänden des Exsikkators reflektiert, anstatt sich innerhalb des Gefäßes auszubreiten. Dies führt dazu, dass auch keine indirekte Übertragung von Schall stattfinden kann.
Diese Untersuchung zeigt eindrucksvoll, warum im Weltraum, wo nahezu perfektes Vakuum herrscht, keine Schallausbreitung möglich ist. Dies bedeutet, dass ohne Medium keine mechanische Welle von einem Punkt zum anderen übertragen werden kann, weshalb der bekannte Satz „Im Weltall kann dich niemand schreien hören“ wissenschaftlich korrekt ist.
Sicherheit
- Beim Experimentieren mit Unterdrucksystemen ist besondere Vorsicht geboten.
- Der Exsikkator muss vakuumtauglich sein, um Implosionen zu vermeiden.
- Zudem sollte die Pumpe nicht überlastet werden, um mechanische Beschädigungen zu verhindern.
- Es wird empfohlen, Schutzbrillen zu tragen und das Experiment in einer stabilen Umgebung durchzuführen.