Jedes Geräusch bewegt sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch die Atmosphäre. Das ist die Schallgeschwindigkeit. Wenn du etwas sagst, bewegen sich deine Worte mit 1.200 Kilometern pro Sekunde. Allerdings nicht immer! Erfahre hier die Grundlagen, die du über Schallgeschwindigkeit wissen musst.
Was ist Schallgeschwindigkeit?
Im Alltag kommst du normalerweise nicht mit der Schallgeschwindigkeit in Berührung. Wenn du etwas sagst, kommt das scheinbar direkt bei deinem Gegenüber an. Doch trotzdem gibt es ein paar Situationen, in denen du die Schallgeschwindigkeit hautnah erleben kannst.
Um diese zu erklären, musst du zunächst wissen, dass sich der Schall in Wellen fortbewegt. Das fällt besonders dann auf, wenn zum Beispiel ein Krankenwagen vorbeifährt. Kommt er auf dich zu, ist die Tonlage der Sirene höher. Fährt er an dir vorbei und dann von dir weg, klingt die Sirene plötzlich tiefer. Woran liegt das?
[quads id=1]Der Doppler-Effekt
Ähnlich wie ein Stein, den du in einen ruhigen See wirfst, verhalten sich die Schallwellen. Sie prallen vom Seeufer ab und sind bei einem fahrenden Boot vorne enger beieinander als am Heck. Wenn der Krankenwagen auf dich zufährt, sind die Wellenberge ebenfalls enger zusammen – der Ton klingt höher. Fährt er weg, wird die Wellenlänge größer. So ist es ganz einfach, sich Schallwellen bildlich vorzustellen. Im Grunde handelt es sich bei den Wellen um Druckunterschiede, die sich fortbewegen.
Mehr zum Doppler-Effekt findest du hier.
Überschall-Geschwindigkeit: Wie entsteht der Knall am Himmel?
Manchmal gibt es einen lauten Knall am Himmel und du siehst ein Flugzeug in der Ferne. Dann hast du gerade das Phänomen beobachtet, dass ein Flugzeug die Schallmauer durchbrochen hat. Doch warum der Knall? Vereinfacht ist es so, dass das Flugzeug schneller fliegt als der Schall. In dem Moment, in dem die Geschwindigkeit höher ist als die 1.200 Kilometer pro Sekunde, entsteht der Knall. Das Flugzeug sendet Wellen aus. Diese werden vor der Maschine hergetrieben. Wenn das Flugzeug die Wellen einholt, also schneller fliegt als der Schall, durchbricht es diese Wellenmauer und der Knall entsteht.
Was haben Gewitter mit dem Schall zu tun?
Auch Gewitter führen uns die Schallgeschwindigkeit direkt vor Augen. Da sich das Licht mit 300.000 Kilometern pro Sekunde fortbewegt, der Schall aber nur mit 340 Metern pro Sekunde, sehen wir den Blitz eines weit entfernten Gewitters direkt, der Donner folgt erst kurz darauf. Diesen Unterschied kannst du dir übrigens zu eigen machen, um die Entfernung des Gewitters zu bestimmen. Dafür musst du nur die Sekunden zählen, die zwischen Blitz und Donner liegen. Das multiplizierst du dann mal 340 Meter und schon weißt du, wie weit das Gewitter entfernt ist.
[quads id=2]Wann kamen die Menschen dem Schall auf die Schliche?
Die Geschichte dieser Entdeckung geht auf eine lange Entwicklung zurück. So sprach beispielsweise bereits Euklid im Jahr 300 v. Chr. vom Schall. Er stellte auch schon einen Zusammenhang zwischen schnellen Bewegungen und höheren Tönen her.
Im Laufe der Geschichte folgten viele Gelehrte, die ihre Erkenntnisse zu diesem Thema beitrugen. Dazu zählte auch etwa Jean Baptiste Biot, der von 1774 bis 1862 lebte. Er versuchte, den Schall in einem eisernen Rohr zu messen, und kam auf eine Geschwindigkeit von 3460 Metern pro Sekunde. Das stimmt zwar nicht exakt, doch trotzdem war die Wissenschaft ein Stück näher an der Wahrheit.
Die Wunder der Wissenschaft machen heute Unglaubliches möglich: Die NASA brach im Jahr 2004 einen Geschwindigkeitsrekord. Ein unbemannter Flugkörper flog mit 11.850 Kilometern pro Stunde über den Pazifik. Das entspricht in etwa der neunfachen Schallgeschwindigkeit.
Ist Schall immer gleich schnell?
Die Schallgeschwindigkeit ist – anders als etwa die Lichtgeschwindigkeit – nicht konstant. Abhängig ist sie von der Temperatur und anderen Faktoren. Abgesehen davon bewegt sich der Schall in festen, flüssigen und gasförmigen Medien unterschiedlich fort.
Ein Beispiel für ein festes Medium ist etwa ein Metallkörper, für ein gasförmiges Medium die Luft und für ein flüssiges Medium Wasser. Willst du also die Geschwindigkeit berechnen, musst du zunächst die Temperatur, den Gasdruck und die Eigenschaften des Mediums kennen.
[quads id=3]Berechnet wurde die Geschwindigkeit des Schalls bereits für verschiedene Materialien. Erstaunlich, welchen Einfluss das jeweilige Material auf die Geschwindigkeit hat! In Kautschuk etwa beträgt sie nur 40 Meter pro Sekunde, in Luft rund 344 Meter pro Sekunde, in Wasser 1480 Meter pro Sekunde und in Eisen sogar 5.800 Meter pro Sekunde.
Die Geschwindigkeit des Schalls wird in der Physik mit Cs bezeichnet. Um sie in Luft zu berechnen, gibt es eine vereinfachte Formel. Diese lautet:
Cs (Flüssigkeit, Gas) ist gleich mit der Wurzel aus dem Kompressionsmodul K geteilt durch die Dichte des Mediums ρ oder anders gesagt:
Übrigens keine Sorge, für die Werte, die du für K und ρ einfügst, findest du immer in deinem Periodensystem oder in der entsprechenden Literatur. Jedes Gas und jede Flüssigkeit hat eigene Werte.
Für feste, flüssige und gasförmige Stoffe gibt es jeweils unterschiedliche Formeln, um die Geschwindigkeit des Schalls zu berechnen. Aber zurück zur Luft. Gehen wir von einer Temperatur von 20 Grad Celsius aus, ergeben sich folgende Zahlen:
Cs = (1,4·(287,058 J/K kg)·(293,15 K))^1/
Bei 0 Grad Celsius ergibt sich schon ein anderes Bild, die Schallgeschwindigkeit beträgt dann rund 331,5 Meter pro Sekunde.
Du siehst also, wie spannend dieses Thema ist. Das war nur der Einstieg, es gibt noch viel zu verstehen und zu erforschen. Beim nächsten Gewitter siehst du die Welt dank deines neuen Wissens vielleicht schon mit anderen Augen.