Erzeugung und Ausbreitung von Schall, Reflexion und Beugung

Ein Gewitter zieht auf. Wenn du draußen unterwegs bist, kann es nützlich sein zu wissen, wann das Gewitter bei dir eintrifft. Weißt du, wie man das macht? Irgendwie musste man zählen. Irgendwie die Zeit zwischen Blitz und Donner. Und irgendwas hatte das mit der Schallgeschwindigkeit zu tun. Dieses Video zeigt dir, wie man die Entfernung eines Gewitters bestimmen kann. Denn das Thema dieses Videos ist: Erzeugung und Ausbreitung von Schall, Reflexion und Beugung. Und das muss man alles wissen, um die Entfernung des Gewitters zu bestimmen? „Nope. Glücklicherweise nur einen Teil davon. Aber der Rest ist auch ganz wissenswert.“ „Fangen wir mit der Frage an, was Schall eigentlich ist.“ Wenn du mit den Fingern schnippst, hörst du ein Geräusch. Offensichtlich wird die Bewegung deiner Finger irgendwie bis zu deinem Ohr übertragen. Durch die Luft. Genau. durch die Luft. Nicht nur im räumlichen Sinne - wie durch die Luft hindurch - sondern auch im ursächlichen Sinne: wegen der Luft. Die Luft überträgt das Geräusch. „Man nennt das, was das Geräusch, also den Schall, überträgt, Medium. Medien können Gase sein, wie die Luft, aber auch Flüssigkeiten und Festkörper. Du weißt, dass man unter Wasser hören kann.“ Und auch wenn wir ausdrücklich nicht empfehlen, an Schienen zu horchen – durch Stahl kann man ebenfalls hören. Wo kein Medium ist, wird kein Schall übertragen. Im Weltall, in dem ein Vakuum vorliegt, herrscht anders als im Kino paradisische Stille. „Das Fingerschnipsen ist ein einmaliges Anstoßen der Luftmoleküle. Diese einmalige Auslenkung oder auch mechanische Störung führt in der Luft zu einer Verdichtung der Moleküle.“ Da die Luft elastisch ist, dehnt sie sich dann wieder aus, nimmt sogar mehr Raum ein als vorher, was zu einer Verdünnung führt und in ihrer Umgebung für eine Verdichtung sorgt. Dort geschieht nun dasselbe wieder und die Abfolge aus Verdichtungen und Verdünnungen breitet sich im Raum aus. Man kann das auch an der Spiralfeder nachvollziehen, oder hier in Bewegung sehen. Die Luftmoleküle können aber auch zum Beispiel durch die Bewegung deiner Stimmbänder oder einer Gitarrensaite mehrfach hin- und her bewegt werden. „Eine solche wiederkehrende Hin- und Herbewegung nennt man mechanische Schwingung. Eine mechanische Schwingung ist die wiederkehrende Hin- und Herbewegung eines Körpers um eine Ruhleage.“ Auch hier kommt es wieder zu Verdichtungen und Verdünnungen, die sich, genau wie gerade beschrieben, im Medium ausbreiten. Übrigens nennen wir die Ausbreitung einer Störung oder Schwingung im Raum Welle. Damit können wir nun endlich definieren, was Schall eigentlich ist. Schall ist die Ausbreitung einer einmaligen mechanischen Störung oder einer mechanischen Schwingung in einem Medium, wie einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper, wenn wir diese mit den Ohren wahrnehmen können. Kurz gesagt: Schall ist der Bereich mechanischer Wellen, den wir mit den Ohren wahrnehmen können. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle heißt Schallgeschwindigkeit. Sie ist abhängig vom Medium. „In der Luft ist sie deutlich abhängig von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit. Bei null Grad Celsius beträgt sie zirka „dreihundertzweiunddreißig“ Meter pro Sekunde, bei zwanzig Grad Celsius zirka „dreihundertvierzig“ Meter pro Sekunde. Am besten merkst du dir: Die Schallgeschwindigkeit in Luft ist etwa „Ein Drittel Kilometer pro Sekunde“. In Wasser beträgt die Schallgeschwindigkeit zirka „eintausendvierhundertachtzig“ Meter pro Sekunde, in Stahl etwa „fünftausendachthundert“ Meter pro Sekunde. Jetzt haben wir alle Informationen zusammen, die wir für die Entfernungsbestimmung des Gewitters benötigen. Dort, wo das Gewitter tobt, finden Donner und Blitz gleichzeitig statt. In einiger Entfernung sehen wir aber den Blitz, bevor wir den Donner hören. Woran liegt das? Der Blitz ist ja ein Lichtsignal, das mit Lichtgeschwindigkeit übertragen wird. Diese beträgt „dreihunderttausend Kilometer pro Sekunde“. Für alle Entfernungen auf der Erde ist die Zeit, die das Licht zu uns braucht, so klein, dass wir sie ignorieren können. Der Donner hingegen ist ein Geräusch, wird also mit Schallgeschwindigkeit übertragen, „die in Luft, wie wir wissen, ungefähr ein „Drittel Kilometer pro Sekunde“ beträgt. Wenn du also, sobald du den Blitz siehst, langsam ungefähr im Sekundentakt – Einundzwanzig, Zweiundzwanzig – zählst, bis du den Donner hörst,“ und dann das Ergebnis durch drei teilst, erhältst du die Entfernung des Gewitters in Kilometern. Tadaaaa! Wir wollen noch kurz auf drei weitere Eigenschaften des Schalls eingehen, bevor wir zur Zusammenfassung kommen. Alle drei kennst du aus eigener Erfahrung. Schall wird reflektiert, wenn er auf ein Hindernis wie zum Beispiel eine Wand trifft. Wenn man in einem Raum die Sprachverständlichkeit erhören möchte, stellt man gezielt Reflexionswände hin, die den Schall in die Bereiche des Raumes lenken, in denen man sonst schwer hören würde. Das bekannteste Beispiel für Reflexion ist das Echo. Hierbei wird der Schall, die Originalwelle, in Richtung der Schallquelle als reflektierte Welle zurückgeworfen. Wenn Schall auf eine Kante trifft, dann wird die Kante zum Ausgangspunkt neuer Schallwellen. Auf diese Weise können wir um die Ecke hören. Dieses Phänomen nennt man Beugung. Schallwellen durchdringen einander ungestört. Deshalb verstehen wir einander, auch wenn mehrere Leute gleichzeitig reden. Man nennt dies auch Kaffeekränzcheneffekt. Und damit uns jetzt nichts entgeht, fassen wir zusammen. Schall ist die Ausbreitung einer mit den Ohren wahrnehmbaren mechanischen Störung oder Schwingung in einem Medium. Oder auch: Schall ist der Bereich mechanischer Wellen, den wir mit den Ohren wahrnehmen können. „Die mechanischen Wellen breiten sich innerhalb eines Mediums aus. Medien können Gase, Flüssigkeiten und Festkörper sein.“ Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig vom Medium. Schallwellen werden reflektiert, gebeugt, und durchdringen einander ungestört. Um die Entfernung eines Gewitters herauszubekommen, zählt man langsam die Zeit zwischen Blitz und Donner und teilt das Ergebnis durch drei. Die Zahl, die man erhält, ist die Entfernung in Kilometern. Bekommst du heraus, wie weit das Gewitter vom Anfang entfernt gewesen ist? Schreib es in die Kommentare!