ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht ULM. Flaschenfrequenzen. Lars Riekenbrauck. Schule: Gymnasium Ochsenhausen

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht ULM Flaschenfrequenzen Lars Riekenbrauck Schule: Gymnasium Ochsenhausen Jugend forscht 214

2 WETTBEWERB JUGEND FORSCHT 214 REGION ULM Gymnasium Ochsenhausen Schüler Experimentieren Flaschenfrequenzen vorgelegt von: Teilnehmer: Lars Riekenbrauck Geburtsdatum: Adresse: Marquard-von-Schwendi Str. 15, Schwendi Telefon-Nr.: Schwendi,, den

3 Inhalt 1 EINLEITUNG HAUPTTEIL HELMOLTZRESONATOR VERSUCHSAUFBAU VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Weinflasche Weckenmann Flasche Coca-Cola Flasche (PP-Flasche) Glasröhre Glasteller Porzellanteller FAZIT / AUSBLICK QUELLEN...14 ii

4 Einleitung 1 Einleitung Unser Betreuungslehrer in der Forscher-Ag vom Gymnasium Ochsenhausen, Herr Beck, hat mir verschiedene Projekte zur Bearbeitung vorgeschlagen. Davon habe ich mir das Thema Flaschenfrequenzen ausgesucht. Dieses Thema habe ich dann auch für den Wettbewerb Jugend Forscht ausgewählt. Bei einer Recherche im Internet stellte sich heraus, dass viele Arbeiten zu diesem Thema die Resonanzfrequenzen beim Anpusten von der Öffnung einer Flasche beschreiben. In meiner Arbeit untersuche ich den Verlauf der Töne, wenn man Wasser von einer Flasche in eine andere Flasche füllt. Ich beginne mit dem Einfüllen in eine Weinflasche und vergleiche diesen Tonverlauf mit dem anderer Flaschen (PP Flasche, O-saft Flasche, Glasröhre, Coca-Cola Flasche). Wenn Sie Originaldatei dieser Arbeit mit OpenOffice 3.x öffnen (auf CD beigelegt), können Sie die Audiodateien nach Anklicken abspielen. 1

5 Einleitung Helmoltzresonator Bei einer Recherche im Internet zum Thema Frequenzmessung bei Flaschen fand ich folgende Folien zur Erklärung der auftretenden Frequenzen: 2

6 Der Helmholtzresonator erklärt die Luftschwingung in einer Flasche, wenn man sie an der Öffnung anbläst. Man kann durch die Wassermenge die Tonhöhe regulieren, je höher der Wasserstand, desto höher der Ton. Bei meinen Versuchen wird die Schwingung durch das Plätschern des Wassers angeregt. Da das gleiche Luftvolumen schwingt, sollte das Modell auch für diese Versuche zur Erklärung gelten. 2.2 Versuchsaufbau Auf einer ausgeschnittenen Arbeitsplatte habe ich ein Brett senkrecht mit Winkeln als Stativ montiert. Daran habe ich mit Gewindestangen, Rohrhaltern und Gardena-Kupplungsstücken einen Gardena-Wasserhahn senkrecht befestigt, so dass man darunter eine Flasche stellen kann. Oben drauf habe ich eine 2l-Cola-Flasche darauf geklebt, bei der ich den Boden ausgeschnitten habe. Daneben habe ich ein Mikrofon auf ein Stativ geschraubt, so dass ich eine gleichbleibende Aufnahmehöhe habe. Das Mikrofon habe ich dann mit einem Adapter am Mikrofoneingang mit meinem Laptop verbunden und 3

7 auf dem Laptop habe ich mit Audacity (Version 2..5) die Tonfrequenzen aufgenommen. 2.3 Versuchsdurchführung Zuerst untersuche ich den Tonverlauf beim Befüllen der Weinflasche, danach vergleiche ich diesen Tonverlauf mit dem anderer Flachen. Hier zu: 1. vermesse ich die Flasche geometrisch (siehe Skizze) 2. nehme ich den Frequenzverlauf beim Einfüllen mit dem Mikrofon auf (Audacity file) 3. messe ich den Einfüllverlauf mit einem Zollstock und einer Stoppuhr indem ich beim Befüllen alle 5 cm die Zwischenzeit stoppe (siehe Diagramm) Weinflasche Weinflasche 3 3 Bauchphase Höhe [cm] 14 cm 23 cm 29,8mm 25 Halsphase Verjüngungs phase Zeit [1/1 sek] 4 9 1

8 Beobachtungen: Der Tonverlauf lässt sich in verschiedene zeitlich, nacheinander ablaufende Phasen unterteilen: 1. Die Aufprallphase Ist die Phase wo das Wasser auf den Flaschenboden trifft Der Ton ist sehr leise und hat eine hohe Frequenz (diese hat ca. die gleiche Höhe, wie wenn man mit einem Stock gegen die leere Flasche schlägt.) Weil der Boden bei der Weinflasche noch oben gewölbt ist, dauert die Aufprallphase etwas länger Die Aufprallphase endet, nachdem sich der Wasserspiegel unten am Flaschenboden gebildet hat Diese geht bis zu einer Höhe von 2,5 cm und dauert ca. 2,2 sek. (Mittelwert aus 3 Messungen) 2. Die Bauchphase Beginnt nach der Aufprallphase wo sich der Mittelteil der Flasche füllt Das Wasser plätschert nun auf eine Wasseroberfläche Der Ton in dieser Phase ist laut und hat eine tiefe Frequenz. Wenn der Wasserspiegel steigt, wird der Ton höher Die Phase endet wenn das Wasser in den Hals der Flasche kommt Diese geht bis zu einer Höhe von 14 cm und dauert von ca. 2,2sek. - ca. 6,5 sek. (Mittelwert aus 3 Messungen) 3. Die Verjüngungsphase Beginnt wenn das Wasser den Flaschenhals erreicht hat Das Wasser fällt weiter auf eine Wasserschicht, aber nun wird der Raum immer Kleiner Der Ton bleibt laut wird aber weiterhin höher. Man hört auch einen zweiten ansteigenden Ton, der aber deutlich tiefer als der erste ist. Diese geht bis zu einer Höhe von 23 cm und dauert ca. 3 sek. (Mittelwert aus 3 Messungen) 4. Die Halsphase 5

9 Man hört vor allem das Plätschern des Wassers Das Wasser steigt sehr schnell durch den engen Raum an Der Ton steigt sehr schnell an bis die Flasche dann zum Schluss überläuft Weckenmann Flasche Füllverlauf 35 3 Bauchphase Verjüngungsphase Höhe [cm] 27,5 cm 14,5 cm 3,5 cm 25 Halsphase Zeit [1/1 sek] 1. Die Aufprallphase Man hört am Anfang nur ganz kurz den Aufprall des Wassers auf den Flaschenboden (hohe Frequenzen) nach dem geht es mit einem tiefen Ton in die Bauchphase. Diese geht bis zu einer Höhe von 1 cm und dauert ca. 1 sek. (Mittelwert aus 3 Messungen) 6

10 2. Die Bauchphase Hat zwei Töne: Den ersten Ton der konstant bis zur Halsphase höher wird und einen zweiten tiefen Ton, der nur geringfügig ansteigt. Diese geht bis zu einer Höhe von 14,5 cm und dauert ca. 7 sek. (Mittelwert aus 3 Messungen) 3. Die Verjüngungsphase Der dunkle Ton steigt hier jetzt auch an. Der hohe Ton steigt weiter an. Diese geht bis zu einer Höhe von 27,5 cm und dauert ca. 5 sek. (Mittelwert aus 3 Messungen) 4. Die Halsphase Man hört nur noch kurz den Überlauf. 7

11 2.3.3 Coca-Cola Flasche (PP-Flasche) Füllverlauf 3 Bauchphase Verjüngungsp hase 25 Höhe [cm] 26,5 cm 2cm 29,5 cm 35 Halsphase Zeit [1/1] Beobachtungen: 1. Die Aufprallphase Man hört kaum einen Unterschied zu den Glasflaschen, obwohl es eine Kunststoffflasche ist. Diese geht bis zu einer Höhe von 2 cm und dauert ca. 1,5 sek. (Mittelwert aus 3 Messungen) 2. Die Bauchphase Hat zwei Töne: Den ersten Ton der konstant bis zur Halsphase höher wird und einen zweiten tiefen Ton, der nur geringfügig ansteigt. Der Ton ist dumpfer im Gegensatz zu den Glasflaschen. 8 12

12 Diese geht bis zu einer Höhe von 2 cm und dauert ca. 7,5 sek. (Mittelwert aus 3 Messungen) 3. Die Verjüngungsphase Der dunkle Ton steigt hier jetzt auch an. Der hohe Ton steigt weiter an. Diese geht bis zu einer Höhe von 26,5 cm und dauert ca. 2,5 sek. 4. Die Halsphase Man hört nur noch kurz den Überlauf. 9

13 2.3.4 Glasröhre Füllverlauf 3 cm 12 1 Bauchphase Höhe [cm] Beobachtungen: Zeit [1/1 sek] 1. Die Aufprallphase Diese geht hier nun ein bisschen länger, da der Boden viel größer ist als bei anderen Flaschen Diese geht bis zu einer Höhe von 2 cm und dauert ca. 2 sek. 2. Die Bauchphase Ist die einzige Phase nach der Aufprallphase da dieses Gefäß keinen Hals hat. Der Ton wird kontinuierlich höher Diese geht bis zu einer Höhe von 3 cm und dauert ca. (hier konnte ich nichts messen da meine Konstruktion nicht ausreichend Wasser fasst) sek. 1 14

14 4 cm Glasteller Beobachtung: 1. Die Aufprallphase Ist sehr lang im Vergleich zu den anderen Gefäßen da sie eine der größten Flächen hat. Diese geht bis zu einer Höhe von,5 cm und dauert ca. 2 sek. 2. Die Bauchphase Ist sehr kurz Die Frequenz bleibt konstant, obwohl der Teller nach außen aufgeht. Diese geht bis zu einer Höhe von 4 cm und dauert ca. 4,5 sek. 11

15 4 cm Porzellanteller Beobachtung: 1. Die Aufprallphase Ist auch sehr lang im Vergleich zu den anderen Gefäßen da sie eine der größten Flächen hat. Diese geht bis zu einer Höhe von,5 cm und dauert ca. 3,5 sek. 2. Die Bauchphase Ist sehr kurz, wie beim Glasteller Aber der Ton ist etwas weicher als der Glasteller. Diese geht bis zu einer Höhe von 4 cm und dauert ca. 5 sek. 12

16 Fazit / Ausblick 3 Fazit / Ausblick Ich finde die Tonfrequenzen beim Einfüllen einer Flasche jetzt viel komplizierter, als ich es mir vorher vorgestellt habe. Alle Flaschen haben ein eigenes charakteristisches Tonbild, welches sich in verschiedene Phasen aufteilen lässt. In der Aufprallphase fällt das Wasser auf den Flaschenboden und bringt diesen zum Schwingen, d.h. Am Anfang schwingt in erster Linie die Flasche mit relativ hohen Frequenzen. Diese Phase ist bei allen Gefäßen sehr ähnlich, d.h. auch bei den Tellern. Geringe Unterschiede hört man bei verschiedenen Materialien. Bei der folgenden Bauchphase schwingt die Luft im Gefäß und das Gefäß selbst. Bei dieser Phase steigt der Ton konstant und ist relativ laut. Der Ton ähnelt den Versuchen zum Helmoltzresonator. Die Verjüngungsphase und die Halsphase sind die letzten Phasen, bei denen der Ton am schnellsten ansteigt, da das Volumen sich verringert. Verschieden Formen der Flasche führen zu unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, welche bei den Tellern und der Röhre nicht auftreten. Jede Phase lässt sich noch intensiver untersuchen. In der Aufprallphase könnte man die Schwingungen beim Aufprall zur Materialanalyse benutzen. Mit dem Frequenzverlauf, während der Bauch- und Verjüngungsphase, könnte man einen Abfüllvorgang überprüfen (Füllhöhe, Materialanalyse) Interessant wäre auch wie sich der Tonverlauf verhält, wenn man andere Flüssigkeiten misst (Öl, Seifenlauge, etc.). Das Messverfahren lässt sich verbessern, indem man nicht nur Tonfrequenzen mit Audacity misst, sondern die Frequenzspektren der einzelnen Phasen mit einem Spektrumanalysator untersucht. Die Genauigkeit der Höhenmessung lässt sich durch einen Füllhöhensensor statt einer Messung mit Zollstock verbessern. Statt eines Wasserhahns könnte man ein Ventil einbauen, damit immer die gleiche Menge, Geschwindigkeit und Öffnung erreicht wird. 13

17 Quellen 4 Quellen Beschreibung: Helmoltzresonator Anleitung Audacity Audacity 2..5 Manual 14