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Überschallflug mit Wolkenscheibeneffekt

Der Dopplereffekt

Flüsterschüsseln und -gewölbe

Überschallflug mit Wolkenscheibeneffekt

In dem Video ist eine F14 beim Überschallflug zu sehen. Nähert sich ein Flugzeug Mach 1, also Schallgeschwindigkeit, so wird es genau so schnell wie die Geräusche, die es erzeugt. Wie in der Grafik unten zu sehen, werden die Wellenfronten, in denen sich die Geräusche ausbreiten dadurch gestaucht. Es entsteht im wahrsten Sinne des Wortes eine Mauer aus Schall, die wiederum nichts anderes als ein Gebiet hohen Druckes darstellt. Allerdings wird diese Mauer nicht durchbrochen. Vielmehr ist es so, dass die Luft ab Geschwindigkeiten um Mach 1 nicht mehr am Flugzeug vorbeifließen kann, sondern vor ihm hergeschoben wird und sich zu einer Stoßwelle verdichtet. Wenn diese Stoßwelle an einem Beobachter vorbeizieht, hört er den so genannten Überschallknall.
Zunächst hat diese Stoßwelle die Form einer Scheibe. Wird das Flugzeug schneller als Mach 1, so überholt es die Stoßwelle: Es bildet sich der Mach'sche Kegel, der im Video durch den Wolkenscheibeneffekt zu erkennen ist. Daher kann es geschehen, dass man den Knall erst

hört, wenn dasFlugzeug bereits weit entfernt ist. Eine Stoßwelle entsteht auch bei einer Explosion oder wenn man eine Pistole abfeuert.
Der Wolkenscheibeneffekt kommt zustande, weil hinter der Stoßwelle Unterdruck herrscht und es dort kälter ist. In Bereichen hoher Luftfeuchtigkeit, kondensiert dann das Wasser und bildet eine Wolke.
Das Space Shuttle hat beim Wiedereintritt in die Atmosphäre eine Geschwindigkeit von mehr als 25 Mach. Die Luft erhitzt sich durch den Druck so stark, dass sie Plasma bildet (mehr zu Plasma auf Experimentis).
Mehr zum Thema Überschallknall einschließlich guter Grafiken, ist an dieser Stelle zu finden. Eine Seite zur Mach-Zahl gibt es von der Nasa (auf Englisch). Auch eine Peitsche durchbricht übrigens die Schallmauer, wenn man sie knallen lässt (mehr dazu bei Geo).

Die Schallgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit des Schalls wird üblicherweise mit 340 Metern pro Sekunde oder 1200 Kilometern pro Stunde angegeben und wächst mit steigender Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Sieht man einen Blitz und zählt die Sekunden bis zum Donner, kann man berechnen wie weit ein Gewitter entfernt ist. Kommt man beispielsweise auf drei Sekunden, so ist das Gewitter ungefähr einen Kilometer entfernt.

Der Dopplereffekt

Der Dopplereffekt ist ein Phänomen, dass jeder kennt: Die Tonhöhe eines Martinshorns oder der Pfeife einer Lok verändert sich, wenn sich Krankenwagen oder Zug bewegen. Nähern sie sich, erscheint der Ton höher. Wenn sie sich entfernen, wird er tiefer.
In dem Video sieht man, wie sich Schallwellen kugelförmig ausbreiten. Nähert sich der Zug jedoch mit hoher Geschwindigkeit, kommen die Schallwellen in kürzeren Abständen beim Beobachter an. Sie werden quasi gestaucht, die Wellenlänge verkürzt sich und die Frequenz wird scheinbar höher. Entfernt sich der Zug gilt der umgekehrte Fall.

Der Dopplereffekt kommt in Radarfallen zum Einsatz. Diese senden elektromagnetische Wellen in einer bestimmten Frequenz aus. Fährt ein Auto auf die Radarfalle zu, reflektiert es die elektromagnetische Welle und verändert ihre Frequenz. Die Radarfalle registriert das veränderte Signal und kann daraus die Geschwindigkeit des Autos berechnen. Ist es zu schnell, wird in einem Bruchteil einer Sekunde die Kamera ausgelöst.

Entdeckt hat den Dopplereffekt der österreichische Physiker Christian Doppler. Er wollte Mitte des 19. Jahrhunderts die unterschiedlichen Farben der Sterne durch ihre Bewegung erklären, denn auch in der Optik spielt der Doppler-Effekt eine Rolle.

Whisper Dishes oder Flüsterschüsseln

Im California Science Center in Los Angeles gibt es die so genannten Whisper Dishes. Es handelt sich um zwei etwa mannsgroße Parabolschüsseln, die sich im Abstand von sechs Metern gegenüber stehen. Setzt man sich an eine diese Schüsseln, so dass sich der Kopf in etwa der Mitte der Whisper Dish befindet, so kann man jemanden eine Nachricht zuflüstern, der in der anderen Parabolschüsseln sitzt - trotz des großen Abstandes, auch wenn es sehr laut ist und sich Menschen zwischen den Whisper Dishes bewegen. Es funktioniert.

Flüstergewölbe

Am 28. August 1892 erschien in der New York Times ein Artikel über die Statuary Hall im Capitol in Washington D.C und ihre faszinierenden akustischen Eigenschaften. Bei der Halle handelt sich um einen halbrunden Raum mit Kuppel. An bestimmten Stellen des Raumes kann man eine Person klar und deutlich verstehen, die auf der gegenüberliegenden Seite der Halle in rund fünfundzwanzig Meter Entfernung steht. Die Statuary Hall war füher Sitzungssaal des Repräsentantenhauses und es gab immer wieder Beschwerden von Seiten der Abgeordneten über ihre Akustik. Kein Wunder: Sie war natürlich denkbar ungeeignet um Reden zu halten oder Debatten zu führen. (Link zum Artikel der New York Times.)

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