Bildquelle: Wikipedia

Ein Kundtsches Rohr, benannt nach dem deutschen Physiker August Kundt (1839 – 1894), dient der Sichtbarmachung stehender Schallwellen. Es besteht nur aus einem durchsichtigen Rohr, einem Abschlussstopfen und einer Schallquelle (z.B. laute Pfeife oder leistungsstärkerer Lautsprecher). Der in das Rohr eindringende Schall wird am Abschlussstopfen reflektiert. Achtung: In der nachfolgenden Abbildung ist eine Transversalwelle dargestellt. Bei Schall handelt es sich aber um eine longitudinale Welle. Man kann aber durch die Transversalwelle den räumlichen Druckverlauf mit Bereichen des Über- bzw. Unterdrucks darstellen.

Ein- und Auslaufende Welle interferieren miteinander und es entsteht dabei eine sog. stehende Welle. Bei dieser bleiben die Schwingungsknoten bzw. -bäuche an der gleichen Stelle.

Das im Rohr befindliche Korkmehl wird hin zu den Schwingungsknoten bewegt und sammelt sich dort. Der Abstand der Mehlhäufchen entspricht einer halben Wellenlänge λ/2.

Für das Experiment benötigt man eigentlich nicht sehr viele Sachen. Die meisten davon habe ich über Amazon bestellt, nur das Korkmehl kommt aus Portugal über ebay.com.

Bei den Lautsprechern habe ich mir für relativ leistungsstarke Modelle mit nur 40 mm Größe entschieden:

Diese sollten also gut mit dem 40/36 mm Plexiglasrohr verbunden werden können:

Das Rohr ist dank der extrem kurzen Amazon-Lieferzeiten auch schon angekommen:

Wie man sieht, passt der Lautsprecher sehr gut auf das Plexiglasrohr:

Ich werde das Experiment sowohl mit einem Lautsprecher, als auch mit der Trillerpfeife durchführen. Von letzterer habe ich mir mittels audacity das Frequenzspektrum anzeigen lassen. Es besitzt ein Maximum bei ca. 2600 Hz.

Bei dieser Frequenz sollten dann die Korkmehlhaufen einen Abstand von 6.6 cm besitzen:

Zur Ansteuerung des Lautsprechers verwende ich meinen Leistungsverstärker basierend auf dem OPA549. Dieser liefert bis zu 6A und wird mit meinen beiden Laptopnetzteilen mit +/-19V versorgt.

Angesteuert wird der Verstärker über eine Funktionsgenerator-App fürs Smartphone:

Da der Verkäufer des Korkmehls aus Portugal Lieferschwierigkeiten hat und die Ware erst im September versenden kann, habe ich mich nach Alternativen umgesehen und bin auf kleine Styroporkugelchen gestoßen. Diese gibt es günstig auf Amazon (https://www.amazon.de/dp/B00MX3PQ7E). Dank der wie immer extrem schnellen Lieferung sind sie bereits nach wenigen Tagen bei mir eingetroffen und so konnte ich sie natürlich gleich testen.

Da die Styroporkügelchen mit rund 3-4 mm Durchmesser zu groß waren, habe ich mich wohl zur größten Strafarbeit entschlossen, die es hier auf der Erde gibt. Und zwar dem manuellen Vierteln der Kügelchen mit einer Nagelschere. Das tue ich mir bestimmt nicht noch einmal an 😉

Mit den nun kleineren Styroporstücken konnte ich einen weiteren Test starten. Die Grundschwingung mit λ = 2·L lag bei ca. 250 Hz und es bildete sich dabei eine schöne stehende Welle mit einem einzelnen Schwingungsbauch in der Mitte aus:

Die erste Oberschwingung mit λ = L konnte ich auch noch gut erkennen:

Die einzelnen Schwingungsbäuche haben ja einen Abstand von λ/2 zueinander. Daraus und der eingestellten Frequenz lässt sich sehr einfach die Schallgeschwindigkeit ermitteln. Es gilt: f = 503 Hz, λ/2 = 35 cm  ⇒  c = λ · f = 0.7 · 503 = 352.1 m/s. Das sollte eigentlich sehr gut passen.

Die höheren Obertöne bei f = 750 Hz usw. konnte ich dann nicht mehr gut auflösen. Vermutlich ist mein kleiner 5W-Lautsprecher auch zu schwach. Ich betreibe diesen aber bei meinen Versuchen eh schon total über seinen Limit mit ca. +/-19V und 0.75A Versorgung. Aufgrunddessen wird er auch binnen kurzer Zeit extrem heiß und ich muss ihn zum Abkühlen wieder abklemmen.

Neben den Schwingungsbäuchen und -knoten bilden sich noch zusätzlich Rippel mit einem Abstand von nur ca. 1-2 cm.

Welche Bewandtnis es mit diesen hat, ist mir noch nicht klar. Eventuell handelt es sich dabei nur um Obertöne oder aber ein anderes Phänomen liegt ihnen zugrunde. Dies dürfen dann meine Schüler erforschen 😉

Wenn das Korkmehl angekommen ist, werde ich dieses noch testen…

So, das Korkmehl aus Portugal ist eingetroffen und so konnte ich neue Versuche starten. Mit Trillerpfeife hat das Ganze leider nicht funktioniert. Also musste ich wieder meinen Leistungsverstärker + Lautsprecher aufbauen.

Bei einer Frequenz von 600 Hz (Grundschwingung), 1216 Hz (erster Oberton) und 1740 Hz (zweiter Oberton) konnte ich schön stehende Wellen beobachten. Bei 1740 Hz erhielt ich 3 Schwingungsbäuche im Abstand von jeweils 10 cm = λ/2. Das kürzere Plexiglasrohr besitzt eine Länge von 30 cm.

Daher ergibt sich für die Schallgeschwindigkeit c = λ · f = 0.2 · 1740 =348 m/s, das passt sehr gut. 🙂

Hier noch ein Photo bei 1.22 kHz mit insgesamt 2 Schwingungsbäuchen (λ = Rohrlänge):