Was ist die Schallgeschwindigkeit und wie haben sie sie gefunden?

Viele Jahre lang fragten Philosophen: 'Wenn ein Baum im Wald umfällt und niemand da ist, um ihn zu hören, macht er dann ein Geräusch?' Wissenschaftler beantworteten diese Frage und fuhren fort, herauszufinden, wie schnell sich dieser Schall ausbreitet. Die Berechnung dieser Geschwindigkeit war nicht so einfach, wie es schien. Im Gegensatz zur Lichtgeschwindigkeit ist die Schallgeschwindigkeit nicht konstant, und verschiedene Variablen ändern die Geschwindigkeit, mit der sie sich fortpflanzt. Die Wissenschaftler haben durchgehalten und verstehen jetzt, wie Klang funktioniert, sei es die Stimme einer Sopranistin oder ein zu Boden krachender Baum.

Was ist Ton?

Schall ist Energie, die durch Schwingungen erzeugt wird. Wenn Objekte vibrieren, bringen sie die Partikel um sie herum zum Schwingen, was wiederum dazu führt, dass mehr Partikel vibrieren. Dies ist eine Schallwelle. Fällt beispielsweise ein Baum zu Boden, erzeugen die beim Aufsetzen entstehenden Vibrationen eine Schallwelle. Schallwellen laufen weiter, bis ihnen die Energie ausgeht, und wenn sich Ohren in der Reichweite der Welle befinden, kann sie tatsächlich gehört werden.

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Was ist die Schallgeschwindigkeit?

Wenn man über die Schallgeschwindigkeit spricht, beziehen sich die meisten Leute auf die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen durch die Luft ausbreiten. Bei einer Temperatur von 68 Grad Fahrenheit in einer trockenen Umgebung beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 767 Meilen pro Stunde. Die Geschwindigkeit ändert sich bei verschiedenen Temperaturen und variiert auch in Abhängigkeit von den in der Luft vorhandenen Gasen.

Das Gesetz der Saiten

Im 6. Jahrhundert v. Chr. verbrachte der Philosoph, Mathematiker und Leierspieler Pythagoras Zeit damit, die Funktionsweise von Klang zu untersuchen. Die Legende besagt, dass seine Arbeit zum Thema Klang davon inspiriert wurde, zu sehen, wie verschieden große Hämmer in einer Schmiede unterschiedliche Töne erzeugten. Es ist wahrscheinlicher, dass das Experimentieren mit der Länge der Saiten seiner Leier ihn zu seiner Entdeckung inspirierte, dass die Frequenz umgekehrt proportional zur Länge der Saite ist. Es ist als das erste Gesetz der Saiten bekannt und gehört zu den ersten aufgezeichneten Werken über Schallwellen.

Herr Isaac Newton

Sir Isaac Newton veröffentlichte als erster eine Schallgeschwindigkeit. Newton stand in einer Kolonnade des Trinity College, klatschte in die Hände und maß, wie lange es dauerte, bis das Geräusch wieder in seinen Ohren widerhallte. Ohne moderne Messgeräte verließ er sich zur Zeitmessung auf ein Pendel. Seine in der Principia Mathematica veröffentlichte Zahl lag um rund 15 Prozent daneben. Die von Newton entwickelte Formel wurde von Pierre-Simon Laplace verbessert und ist als Newton-Laplace-Gleichung bekannt.

Messung der Schallgeschwindigkeit mit Schüssen

In den frühen 1700er Jahren führte Reverend William Durham Experimente durch, um die Schallgeschwindigkeit zu messen. Während er mit einem Teleskop in einem Turm stand, feuerten Assistenten auf eine Reihe von lokalen Sehenswürdigkeiten. Durham beobachtete das Aufblitzen des Schusses und maß mit einem Pendel, wie lange es dauerte, bis er das Geräusch hörte. Da er die Entfernungen kannte, konnte die Schallgeschwindigkeit berechnet werden und gilt als die früheste einigermaßen genaue Schätzung.

Messung der Schallgeschwindigkeit mit der Kundtschen Röhre

August Kundt erfand 1866 die Kundtsche Röhre. Die Apparatur besteht aus einer durchsichtigen Röhre, die eine kleine Menge feinen Pulvers enthält. Wenn an einem Ende des Rohres ein Geräusch erzeugt wird, wird das Pulver durch die Schallwellen bewegt. Sie setzt sich in Abhängigkeit von der Wellenlänge in gleichmäßigen Abständen in der Röhre ein. Die Messung des Abstands zwischen Pulverhaufen ermöglicht die Berechnung der Schallgeschwindigkeit. Das Befüllen des Kundtschen Rohres mit unterschiedlichen Gasen ermöglicht die Messung der Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien.

Messung der Schallgeschwindigkeit mit Mikrofonen

Der einfachste Weg, die Schallgeschwindigkeit heute zu messen, ist die Verwendung von zwei Mikrofonen. Das Grundkonzept ist das gleiche wie bei Durhams Schrotflinten, jedoch ermöglichen Stoppuhren und schnelle Aufnahmegeräte einen geringeren Abstand zwischen Schallquelle und Messgerät. Der Ton kann auch leiser sein als ein Schrotflintenstoß.

Auswirkungen der Höhe

Die Temperatur hat den größten Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit. In jedem gegebenen idealen Gas mit konstanter Zusammensetzung ist die Schallgeschwindigkeit ausschließlich von der Temperatur abhängig. Der Ton verlangsamt sich, wenn die Temperaturen sinken, was bedeutet, dass sich Schallwellen in größeren Höhen langsamer bewegen. Aus diesem Grund wird die allgemeine Schallgeschwindigkeit auf Meereshöhe gemessen und basiert auf einer bestimmten Temperatur.

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Klang in verschiedenen Substanzen

Da Schall durch die Schwingung von Partikeln entsteht, benötigt er ein Medium, um sich zu bewegen. Das bedeutet, dass es im Vakuum keinen Schall gibt, aber auch, dass Schall sich durch andere Stoffe als Luft bewegen kann. Tatsächlich bewegt sich Schall am langsamsten durch Gase. Es bewegt sich mehr als viermal schneller im Wasser und 15mal schneller durch Eisen.

Die Schallmauer durchbrechen

Obwohl die frühen Luftfahrtingenieure glaubten, dass die Schallgeschwindigkeit eine Barriere sei, die nicht zu überwinden wäre, durchbrachen künstliche Objekte sie vor Jahrhunderten. Das Knacken einer Bullenpeitsche ist ein Überschallknall, und selbst frühe Kugeln flogen schneller als die Schallgeschwindigkeit. Chuck Yaeger war 1947 der erste Mensch, der in einem Horizontalflug schneller als der Schall flog. 2012 war Felix Baumgartner der erste Mensch, der ohne Fahrzeug schneller als der Schall flog, als er aus 120.000 Fuß mit dem Fallschirm abstürzte.