In deze rubriek kijken we naar de vaak zeer interessante fysica die schuilgaat achter dagdagelijkse voorwerpen en fenomenen. Ditmaal richten we ons op geluid en interferentie.
Geluid is alomtegenwoordig in onze wereld. Zelden staan we stil bij hoe bijzonder dit fenomeen is. De lucht rondom ons bestaat uit verschillende moleculen, voornamelijk stikstof (N2), zuurstof(O2), water (H2O) en Argon. Deze deeltjes bewegen allemaal kriskras door elkaar en botsen ook voortdurend als ballen op een biljarttafel. Ze bewegen zeer snel, gemiddeld Vgem = 1670 km/u bij een temperatuur van 20°C. Hier moet ik echter benadrukken dat dit slechts een gemiddelde is. Bijna alle moleculen bewegen sneller of trager dan Vgem.
Doordat deze deeltjes op elkaar inwerken, wordt de luchtdruk overal min of meer gelijk gehouden. De kans is nu eenmaal veel groter dat alle deeltjes in een verspreide toestand zitten dan dat ze toevallig allemaal in dezelfde hoek van een kamer vliegen (dat noemen we entropie!). Lucht streeft er daardoor altijd voor om zo verspreid mogelijk te zijn en dus geen lokale onder- of overdruk te hebben. Geluid is daar een belangrijke uitzondering op.
Wanneer jij spreekt gaan jouw stembanden trillen. Je stembanden botsen dan tegen de luchtmoleculen. Die luchtmoleculen botsen dan weer tegen volgende moleculen en zo verder en zo voort. Een geluidsgolf is geboren. Als we dit op het moleculair niveau bekijken, zien we iets als op figuur 1. De rode knikkers representeren een geluidsgolf die doorgegeven wordt van rechts naar links. Zoals je kunt zien, gebeurt dit op een willekeurige wijze. De botsingen nemen niet de kortste weg van rechts naar links maar een soort zigzag patroon. Een geluidsgolf bestaat uit meer dan één zo’n reeks botsende moleculen en als je naar de gemiddelde snelheid zou kijken waarmee de golf doorgegeven wordt, zal dat een pak lager zijn dan de gemiddelde snelheid. Bij 20°C is de snelheid van het geluid Vgeluid = 1235 km/u . De reden dat Vgeluid < Vgem komt dus doordat de botsingen niet de kortste weg nemen.
In feite is geluid dus een drukgolf die beweegt door de lucht. Daarom bestaat er geen geluid in de ruimte, er is geen lucht…. toch?? Niet helemaal. Geluid kan namelijk ook door andere media reizen dan alleen lucht. Ook in hout, ijzer, water en steen kan geluid zich voortplanten. En in elk medium heeft het een andere snelheid. In ijzer is dat bijvoorbeeld 18430 km/u, 15 keer sneller dan in lucht. Over het algemeen kunnen we stellen dat geluid een trilling is in een medium. Zo luistert de Mars Insight rover die op de rode planeet landde op 26 november 2018 bijvoorbeeld naar geluid dat door mars beweegt, zogenaamde Marsbevingen. De huidige hypothese is dat deze ontstaan door het langzaam inkrimpen van Mars. Maar oké, we zijn een iets te extraordinair uitstapje aan het maken, terug naar de Aarde.
De meest simpele geluidsgolf is een sinusgolf (zie figuur 2). Deze bestaat slechts uit één zuivere toon. Mensen kunnen slechts op één manier een sinusgolf produceren: door te fluiten! Van fluiten wordt je niet alleen gelukkig, je kunt er ook op een makkelijke manier mee aan wetenschap doen. Probeer het volgende: ga met twee mensen tegenover elkaar staan. Probeer allebei exact dezelfde toon te fluiten en luister goed. Als je goed oplet, ga je gekke zoemende geluidjes horen. Hoe luider jullie fluiten, hoe beter het te horen is. Dat is wat we noemen interferentie!
Als twee geluidsgolven elkaar tegenkomen, vliegen ze recht door elkaar heen. Het resulterende geluid wordt dan een som van beide geluidsgolven. Op figuur 2 zie je wat er gebeurt als je met twee mensen tegenover elkaar fluit. Omdat wij mensen niet perfect zijn, zal één persoon altijd net iets hoger fluiten dan de andere persoon. Daarom zal de opgetelde geluidsgolf (rood) een gekke geluidsgolf worden die alternerend zachter en harder wordt. Dit fenomeen noemen we een zweving en is het gekke gezoem dat te horen was.
Interferentie is enorm belangrijk in de sterrenkunde. We gebruiken het in de machines om zwaartekrachtsgolven te meten, in radiotelescopen, om exoplaneten te ontdekken en nog zoveel meer. In het geval van de sterrenkunde gaat het dan wel over interferentie van licht in plaats van geluid, maar het principe is hetzelfde! En in ons dagelijkse leven is het ook enorm belangrijk. Zo wordt het timbre (ook wel “klankkleur”) van een instrument of stem bepaald door verschillende sinusgolven met andere frequenties die in verschillende maten bij elkaar worden opgeteld. Meestal heeft een instrument zogenaamde “boventonen”. Dat zijn sinusgolven met een frequentie die een veelvoud zijn van de “grondtoon”. Als je een La speelt op een gitaar op 440Hz (grondtoon), dan krijg je bijvoorbeeld ook boventonen op 880Hz en 1320Hz. Op figuur 3 zie je bijvoorbeeld een frequentie spectrum van ik die op twee verschillende tonen zing met een octaaf verschil ertussen. Je ziet dat er streepjes ontstaan op gelijke afstand van elkaar in veelvouden van de originele toon. Hoe hoger de grondtoon die ik zing, hoe verder de boventonen uit elkaar gaan staan.
Zelf experimenteren met geluid is heel gemakkelijk. Installeer een app zoals “Physics Toolbox Suite” en ga met je telefoon rond om het spectrum van verschillende geluiden te bekijken. Probeer bijvoorbeeld eens uit te zoeken waarom dat je zou kunnen zeggen dat klappen exact het omgekeerde is van fluiten. Succes!
0 reacties