DECHEMAX Initiative für Chemische Technik und Biotechnologie

Let there be Rock (and Physics)

Let there be Rock (and Physics)

schallwellen
Bildquelle: Pixabay

Let there be sound, and there was sound
Let there be light, and there was light
Let there be drums, there was drums
Let there be guitar, there was guitar
Oh, let there be rock!

 …heißt es in einem AC/DC-Song aus dem Jahr 1977. Let there be sound? Ja, wo kommt denn der Sound für Grooves sämtlicher Musikrichtungen her, und gibt es eine naturwissenschaftliche Erklärung? Aber selbstverständlich -  mit Hilfe der Physik. Bei der Wahrnehmung eines Sounds bzw. von Schall sind die Tonhöhe und Lautstärke ausschlaggebend.  Dies sind allerdings keine physikalischen, sondern physiologische Größen. In den Fragen dieser Runde wollen wir die Physik hinter der Musik beleuchten.

 Welcome to the jungle of questions!

Frage (Klassenstufen 7-10, E und Q)

Crazy little thing called gap text

Füllt den Lückentext aus. Dabei finden nicht alle Begriffe im Lückentext Verwendung. Jeder Begriff kommt maximal einmal vor.

Boden, Durcheinander, Geräusche, Jugendzentrum, langsamer, schneller, Schwingungen, Teilchen, tief, hoch, Töne, Überdruck, Vakuum, Wasser, weicher, Weltraum, HipHop, Schallquellen, 85 dB, Frequenz

Schall besteht aus

Lösung:

Schwingungen

, genauer betrachtet aus schwingenden

Lösung:

Teilchen

. Über diese kann sich der Schall ausbreiten. Das ist so gut wie überall der Fall, also nicht nur in der Luft, sondern auch im

Lösung:

Wasser oder Boden

oder im

Lösung:

Boden oder Wasser

. Nur im

Lösung:

Weltraum

funktioniert dies nicht, da dort ein

Lösung:

Vakuum

herrscht. Durch die

Lösung:

Frequenz

, dies ist die Schnelligkeit von Druckschwankungen, wird die Tonhöhe bestimmt. Ist diese niedrig, ist der Ton

Lösung:

tief

Töne mit einer Frequenz von 2000 Hz bis 5000 Hz empfinden wir als

Lösung:

hoch

. Die Lautstärke wird durch die Größe der Druckschwankungen (Amplitude) bestimmt. Je größer die Amplitude der Schwingungen ist, desto lauter ist der Ton. Die Lautstärke wird in Dezibel gemessen. Ständige Beschallung über

Lösung:

85 dB

kann längerfristig zu Hörschäden führen.
Vermischen sich verschiedene

Lösung:

Schallquellen

unkoordiniert und verursachen verschiedene unterschiedlich schnelle Schwingungen, kann man die entstehenden

Lösung:

Töne

nur schwer unterscheiden. Das, was dabei entsteht, kann man als

 

bezeichnen.

Lösung:

Durcheinander

Der Text im Ganzen:
Schall besteht aus Schwingungen, genauer betrachtet aus schwingenden Teilchen. Über diese kann sich der Schall ausbreiten. Das ist so gut wie überall der Fall, also nicht nur in der Luft, sondern auch im Wasser oder im Boden. Nur im Weltraum funktioniert dies nicht, da dort ein Vakuum herrscht. Durch die Frequenz, dies ist die Schnelligkeit von Druckschwankungen, wird die Tonhöhe bestimmt. Ist diese niedrig, ist der Ton tief. Töne mit einer Frequenz von 2000 Hz bis 5000 Hz empfinden wir als hoch. Die Lautstärke wird durch die Größe der Druckschwankungen (Amplitude) bestimmt. Je größer die Amplitude der Schwingungen ist, desto lauter ist der Ton. Die Lautstärke wird in Dezibel gemessen. Ständige Beschallung über 85 dB kann längerfristig zu Hörschäden führen. Vermischen sich verschiedene Schallquellen unkoordiniert und verursachen verschiedene unterschiedlich schnelle Schwingungen, kann man die entstehenden Töne nur schwer unterscheiden. Das, was dabei entsteht, kann man als Durcheinander bezeichnen.

Frage (Klassenstufen 8-10, E und Q)

The Jimi Hendrix Experience

Stell Dir vor Du stehst mit Jimi Hendrix auf der Bühne, er überreicht Dir eine Saite und fordert Dich auf, ihn zu Hey Joe zu begleiten. Du sollst die Saite im 4/4 Takt anschlagen, wobei im Wechselanschlag der Ton jeweils um eine Oktave verändert werden soll. Wie enttäuschst Du Jimi und das Publikum nicht?

Wählt die richtige Antwort aus.

Bei einer frei schwingenden Saite wird der erzeugte Ton um eine Oktave erhöht,

indem sie an einem Punkt auf genau halber Länge festgehalten wird. Die Frequenz der Saite wird verdoppelt.
indem sie an einem Punkt festgehalten wird, der die Seite um ein Achtel verkürzt
indem die Saite doppelt so schnell angeschlagen wird.
indem die Saite doppelt so stark angeschlagen wird (Verdoppelung der Amplitude)

Lösung:

richtig ist:
indem sie an einem Punkt auf genau halber Länge festgehalten wird. Die Frequenz der Saite wird verdoppelt.

Frage (Klassenstufen 9-10, E und Q)

Another one bites the dust

Hat Musik auch eine zerstörerische Kraft? Kann ein Glas – wie es immer wieder in Geschichten dargestellt wird – aufgrund von Musik zerspringen? Gut, wäre ich ein Glas und müsste HipHop hören, würde ich auch lieber freiwillig das Zeitliche segnen. Aber kann ein Justin-Bieber–Song ein Glas in 1000 Stücke schmachten?

Nun, im Gegensatz zu uns hat ein Glas vielleicht einen ausgewogeneren Musikgeschmack und macht sein Zerspringen nicht von der Musikrichtung abhängig.

Aber wie kann nun ein Glas durch Musik zerspringen?

A) Durch eine sehr plötzliche, hohe Lautstärke
B) Durch Bass-Beschallung, die von vier unterschiedlichen Seiten auf das Glas einwirken
C) Durch extrem hohe Töne
D) Durch einen langanhaltenden, lauten und gleichbleibenden Ton, der die gleiche Frequenz trifft, die ein Glas erzeugen würde, wenn daran geschlagen wird.

Lösung:

Richtig ist Anwort D
Trifft ein solcher Ton das Glas, bringen die Schallwellen es zum Schwingen, bis die Anregung so groß wird, dass es zerbricht.

Frage (Klassenstufen 10, E und Q)

Another brick in the wall

In der Bibel ist beschrieben, dass die Stadtmauern von Jericho beim Angriff auf die Stadt durch den Klang der Trompeten zum Fall kamen.

Wir wollen zwar keinen Angriff, aber ganz nach Pink Floyd gerne mithilfe von Musik Mauern einreißen. Da Trompeten für diese Aufgabe scheinbar gut geeignet sind, dürft ihr nun schätzen oder ausrechnen, wie lang die Trompeten ungefähr sein müssen, mit denen eine Mauer zum Einsturz gebracht werden kann?

Was schätzt ihr?

  • 17 m
  • 86 cm
  • 2 mm
  • 13,2 km

Falls ihr lieber rechnet als zu schätzen, hier noch einige Angaben:

Die Resonanzfrequenz der Mauern beträgt 10 Hertz. Nehmt an, dass eine Trompete ein zylindrisches Rohr ist, bei dem die Tonfrequenz wie folgt von der Länge abhängt: f = c / (2L). Die Geschwindigkeit c des Schalls in der Luft beträgt etwa 340 m/s.

17 m
86 cm
2 mm
13,2 km

Lösung:

Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass die Trompete ein zylindrisches Rohr ist. Die Schallgeschwindigkeit (c) in der Luft beträgt etwa 340 m/s. Die Frequenz, die wir zum Einstürzen der Mauern benötigen, beträgt 10 Hertz. Bei einem zylindrischen Rohr beträgt die Frequenz, die man damit erzeugen kann, f = c / (2L) und damit ist die Länge (L) der Trompete: L = c / (2f) = 340 m/s / (2 x 10 1/s) = 17 m. Also müssen die Trompeten 17 m lang sein. Das Prinzip, weshalb die Mauer überhaupt einstürzt, ist die Resonanz. Das bedeutet, dass der Schall, den ihr mit den Trompeten erzeugt, genau die Frequenz hat, die auch der Eigenfrequenz der Mauern entspricht. Und wenn ihr die Mauern damit beschallt, geraten sie ins Schwingen und können dabei einstürzen. Im Prinzip hat alles eine Eigenfrequenz und kann damit (theoretisch) berührungsfrei zerstört werden. Vielleicht habt ihr schon einmal von Brücken gehört, die sich durch Wind, Fußgänger oder Autos so stark aufgeschwungen haben, dass sie eingestürzt sind? Das gab es wirklich! 1940 ist beispielsweise die Tacoma-Narrows-Brücke im US-Bundesstaat Washington eingestürzt. Dazu müssen aber viele Faktoren zusammentreffen und insgesamt ist es sehr unwahrscheinlich, dass so etwas passiert. Außerdem bezieht man das Wissen um mögliche Resonanzkatastrophen heute in die Berechnung von Brücken mit ein, damit sie stabiler gegen Schwingungen sind.

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