Resonanz einer Luftsäule
Worum geht es?
In einem einseitig geschlossenen Rohr bildet Schall stehende : unten (am Wasserspiegel) ein Bewegungsknoten, oben an der Öffnung ein Bauch. Das passt nur, wenn die Säulenlänge ein ungerades Vielfaches von ist: Genau dann resoniert die Luftsäule und der leise Stimmgabelton wird laut. Der Versuch fährt die Säulenlänge per Wasserspiegel durch, findet die Resonanzlängen und gewinnt daraus und .
Warum macht man dieses Experiment?
Dieses Rohr ist das Funktionsmodell aller Blasinstrumente und Orgelpfeifen: Luftsäulenlänge macht Tonhöhe. Zugleich ist es die eleganteste -Messung der Schulphysik. Stimmgabel, Rohr, Wasser, Lineal, mehr braucht es nicht, und der λ/2-Abstand zweier umgeht sogar die störende Mündungskorrektur: ein Lehrstück über kluge Messstrategie.
Die physikalische Idee
Ein senkrechtes Glasrohr steht in Wasser; Heben und Senken des Rohrs (oder ein Vorratsgefäß) stellt die Luftsäulenlänge ein. Die angeschlagene Stimmgabel (440 Hz) hält man über die Öffnung und verlängert die Säule langsam. Beim ersten lauten Anschwellen ist , beim zweiten . Die Differenz ist exakt , frei von Randkorrekturen: daraus und mit die Schallgeschwindigkeit.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
- Stehende Wellen, Knoten und Bäuche
- c = λ·f
- Resonanz als Eigenfrequenz-Treffer
Wissenschaftliche Einordnung
Resonanzrohre über Wasser gehören seit dem 19. Jahrhundert (Quincke, Kundt) zur akustischen Messtechnik; Kundt machte die Knoten mit Korkstaub sichtbar und vermaß so sogar die Schallgeschwindigkeit in Metallstäben. Der Orgelbau nutzt die λ/4-Physik gedackter Pfeifen seit Jahrhunderten: halbe Baulänge für den tiefen Ton.
Versuchsziel
Aktuelles Versuchsziel
Resonanzlängen, Wellenlänge, Schallgeschwindigkeit
Finde die ersten beiden Resonanzlängen der Luftsäule für den 440-Hz-Ton, bestimme daraus die (Differenzmethode) und die Schallgeschwindigkeit.
Gesucht
- — Schallgeschwindigkeit (in )
mit der Stimmgabelfrequenz.
Gemessen
- — Resonanzlängen (in )
Säulenlängen beim ersten und zweiten Lautheits-Maximum, mehrfach eingegabelt.
Bekannt
- — Frequenz (in )
Aufschrift der Stimmgabel: 440 Hz.
Berechnet
- — Wellenlänge des Tons (in )
: die korrekturfreie Differenzmethode.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Die Resonanzbedingung der gedackten Säule: Sie sagt die Lagenfolge der Maxima vorher.Zur Formelsammlung
- Die Auswerteformel der Differenzmethode: Wellenlänge aus dem Resonanzabstand, mal Frequenz.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Verlängere die Luftsäule langsam aus dem Kurzen heraus und gabele die ersten beiden Resonanzlängen für die 440-Hz-Gabel ein (je dreimal). Berechne und ; notiere die Raumtemperatur und vergleiche mit dem Literaturwert.
2Vorbetrachtung
Warum λ/4 und seine ungeraden Vielfachen? Am Wasserspiegel kann die Luft nicht schwingen (Knoten), an der Öffnung sie frei (Bauch). Das kürzeste stehende-Wellen-Muster mit „Knoten unten, Bauch oben“ ist eine Viertelwelle; das nächste passt erst wieder mit einer zusätzlichen halben : , dann . Trifft die Säulenlänge eine dieser Sprossen, schaukelt der Gabelton die Säule zur lauten Eigenschwingung auf: hörbare .
Warum die Differenz klüger ist als die Einzellänge: Der Öffnungs-Bauch sitzt in Wirklichkeit ein Stück ÜBER dem Rohrrand (Mündungskorrektur, etwa 0,6 Rohrradien): allein ist deshalb systematisch zu kurz. Aber diese Korrektur ist bei beiden Resonanzen dieselbe: In der Differenz fällt sie exakt heraus. Erwartung bei 440 Hz und 20 °C: , , Differenz .
3Geräte / Stoffe
Gabel immer frisch anschlagen und dicht über die Öffnung halten (nicht hineinstecken). eingabeln: von unten und von oben an die lauteste Stellung herantasten.
Glasrohr im Wasserzylinder
Die längenverstellbare Luftsäule: Der Wasserspiegel ist das perfekt schallharte, verschiebbare Rohrende.
Stimmgabel 440 Hz
Tonquelle bekannter : der zweite Faktor der c-Bestimmung.
Maßstab
Misst die Resonanzlängen der Luftsäule.
Thermometer
zur Einordnung des c-Werts.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Rohr im Zylinder mit beiden Resonanz-Wasserständen; daneben die Schwingungsbilder (λ/4 und 3λ/4) mit Knoten am Spiegel und Bauch über der Mündung.
Die stehende im Rohr: Am geschlossenen Ende (Wasserspiegel) liegt ein Knoten, an der Öffnung ein Bauch. Deshalb passen nur ungerade Vielfache von in die Säule.
Aufbau: Glasrohr (Innendurchmesser ca. 3 cm, Länge 80 cm) senkrecht in hohem Wasserzylinder, verschiebbar mit Halteklemme; Maßstab längs des Rohrs; Stimmgabel 440 Hz mit Anschlaghammer; Thermometer.
5Durchführung
Schritt 1: Kurze Säule, Gabel anschlagen, Rohr langsam heben: erste laute Stelle eingabeln, ablesen. Dreimal.
Schritt 2: Weiter verlängern bis zum zweiten Maximum: ebenso dreimal.
Schritt 3: ablesen; Auswertung.
6Beobachtung
| Resonanz | Säulenlänge in |
|---|---|
| 0,190 |
| 0,580 |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
Zwischen den Maxima ist der Gabelton über dem Rohr deutlich leiser; an den Maxima schwillt er unüberhörbar an.
7Auswertung
Schritt 1: über die Differenz.
Schritt 2: Schallgeschwindigkeit.
Exakt der Literaturwert für , mit Lineal und Stimmgabel, ohne jede Elektronik, und in schöner Übereinstimmung mit der Laufzeitmessung des Schallgeschwindigkeits-Experiments. Zwei völlig verschiedene Methoden, ein Wert: die stärkste Absicherung, die Messphysik kennt.
Schritt 3: Die Mündungskorrektur sichtbar machen. Aus allein folgte , etwas zu klein, weil der Bauch über der Mündung sitzt. Die Differenzmethode hat diesen Fehler konstruktiv beseitigt. Der Vergleich beider Rechnungen zeigt den Wert kluger Messstrategie unmittelbar.
8Fazit
Die Luftsäule resoniert bei 19,0 und 58,0 cm. Der λ/2-Abstand liefert korrekturfrei und : Schallgeschwindigkeit per Stimmgabel und Lineal, im Einklang mit der Laufzeitmethode.
9Fehlerbetrachtung
Das Ohr als Maximum-Detektor ist erstaunlich gut, aber die Gabelung bleibt die Kernunsicherheit:
Eingabeln des Lautheits-Maximumseher zufällig
- Ursache
Das Maximum ist ein flacher Berg, kein Punkt; das Ohr gabelt auf etwa ±5 mm.
- Auswirkung
In der Differenz doppelt wirksam: rund ±1,5 Prozent in λ und c.
- Verbesserung
Von beiden Seiten herantasten und mitteln (so durchgeführt); alternativ Mikrofon mit Pegelanzeige als objektiver Detektor.
Abklingende Gabeleher systematisch
- Ursache
Der Gabelton wird während des Suchens leiser.
- Auswirkung
Spätere Vergleichsstellen wirken leiser, das Maximum verschiebt sich scheinbar.
- Verbesserung
Häufig neu anschlagen; Lautheit nur unmittelbar nach dem Anschlag vergleichen.
Wasserspiegel schwankt beim Verschiebeneher zufällig
- Ursache
Nachlaufendes Wasser braucht einen Moment.
- Auswirkung
Ablesung der Säulenlänge im falschen Moment.
- Verbesserung
Vor jeder Ablesung beruhigen lassen; Meniskus-Unterkante konsistent anpeilen.
Das Wichtigste
- Die Randbedingung
Geschlossenes Ende: Bewegungsknoten. Offenes Ende: Bewegungsbauch. bei
- Der Differenz-Trick
Aufeinanderfolgende Resonanzlängen liegen exakt auseinander. Die Differenz eliminiert die Mündungskorrektur, messstrategisch sauberer als die Einzellänge.
- Das Messergebnis
: Schallgeschwindigkeit aus Lineal und Stimmgabel.
- Instrumentenbau
Gedackte (geschlossene) Pfeifen klingen eine Oktave tiefer als gleich lange offene und tragen nur ungerade Obertöne: der Klarinetten-Klang.