Dieses einfache Physik-Experiment zum Thema Schall hat es bis zu einem eigenen Produkt gebracht (s. Video unten): dem Musical Ruler der Firma Think Geek. Zum Einsatz kommt dabei ein biegsames Lineal, das man auf einen Tisch legt und über den Rand ragen lässt.
Hält man das Lineal auf dem Tisch fest und schlägt das freie Ende an, so beginnt es zu vibrieren und ein Ton ist zu hören. Durch Verkürzen und Verlängern des Lineals lässt sich der Zusammenhang zwischen der Länge des Lineals, der Tonhöhe bzw. Frequenz und der Lautstärke schön erfahren. Auch kann man bei diesem Physik-Experiment erleben, wie Schall bzw. Schallwellen entstehen.
Was wird gebraucht?
- ein dünnes, biegsames Lineal
- eine Tischkante
Was ist zu tun?
Für dieses Physik-Experiment zum Thema Schall legt man das Lineal auf einen Tisch und lässt es über den Rand ragen. Dann hält man das eine Ende des Lineals auf dem Tisch fest, drückt das andere Ende des Lineals nach unten und lässt dann wieder los. Das Lineal beginnt zu schwingen und ein Ton ist zu hören. In nachfolgendem Video sind Zeitlupenaufnahmen von schwingenden Linealen zu sehen.
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Es zeigt sich schnell:
- Je länger das Lineal, desto langsamer schwingt es und desto tiefer ist der Ton.
- Je kürzer das Lineal, desto schneller schwingt es und desto höher der Ton.
- Je weiter das Lineal ausschlägt bzw. je größer die Auslenkung, desto lauter wird der Ton.
Echte Profis können damit sogar ganze Lieder spielen, so wie etwa die Ode an die Freude. Mehr zu dem Produkt erfahren Sie hier.
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Was ist geschehen?
Beobachten man die Schwingungen des Lineals, kann man diese mit der Frequenz (Schwingungen pro Sekunde) und der Tonhöhe in Beziehung zu setzen. Ein längeres Lineal schwingt langsamer, hat also eine niedrigere Frequenz. Ein kürzeres Lineal schwingt schneller, hat also eine höhere Frequenz.
Verstehen lässt sich daran auch: Das vibrierende Lineal stößt die Moleküle in der Luft an, wodurch diese komprimiert werden. So entstehen – wenn das Lineal hin und her schwingt – Wellen von verdichteten Molekülen und damit Druckschwankungen, die sich als longitudinale Wellen in der Luft fortpflanzen. Gelangen diese durch die Luft in unser Ohr, werden sie in elektrische Signale umgewandelt und an unser Gehirn weitergeleitet: Wir hören einen Ton.
Wie entsteht Schall?
Wenn das Lineal länger ist, schwingt es langsamer und schiebt die Moleküle seltener zusammen, so dass die Wellen der Moleküle weiter auseinander liegen – die Frequenz der Schallwellen ist dann niedriger. Wellen mit niedrigerer Frequenz haben eine geringere Tonhöhe. Wenn das Lineal kürzer ist, schwingt es schneller und erzeugt so Druckwellen mit höherer Frequenz, die eine höhere Tonhöhe haben.
Der genaue Zusammenhang zwischen der Frequenz des durch das Schwingen erzeugten Tons und der Länge des überstehenden Stückes ist nicht trivial: In die Formel gehen das Elastizitätsmodul, die Abmessungen des Lineals und dessen Dichte ein.
Das schwingende Lineal ist ein klassisches Physik-Experiment für die Schule, denn man kann damit Themen wie Schwingungen und Wellen, Frequenz, Wellenlänge und Amplitude, sowie die Schallerzeugung bearbeiten. So lassen sich mit einem Lineal leicht verständlich die Zusammenhänge von Tonhöhe und -lautstärke sowie der Schwingungsfrequenz und -amplitude aufzeigen. Wer einfache Physik-Experimente für Kinder sucht, ist mit diesem Freihandversuch aber ebenfalls gut bedient.
Quellen:
PDF zum Download für den Unterricht zum Thema Schall vom Bildungsserver RLP.
Eine tolle Seite über Physik und Musik: http://www.sound-physics.com/Music-Physics
