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Aufgabe

Schallgeschwindigkeit in Erdgas

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

In einem KUNDTschen Rohr (Glasrohr mit einem offenen und einem geschlossenen Ende) werden am offenen Ende mit einem Lautsprecher mit einer konstanten Erregerfrequenz stehende Wellen erzeugt.

Wenn sich Luft mit einer Schallgeschwindigkeit von \(340\,\frac{\rm{m}}{\rm{s}}\) im Rohr befindet, hat der 1. vom 12. Knoten den Abstand \(24{,}5\,\rm{cm}\). Wenn sich dagegen Erdgas im Rohr befindet, hat der 1. vom 12. Knoten den Abstand \(32{,}6\,\rm{cm}\).

Berechne die Schallgeschwindigkeit in Erdgas.

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Bei einer stehenden Welle gilt für den Abstand \(\Delta L\) zwischen zwei Konten\[\Delta L = \frac{\lambda}{2} \Leftrightarrow \lambda = 2 \cdot \Delta L\]Ist das KUNDTsche Rohr mit Luft gefüllt, so gilt \(\Delta L_{\rm{Luft}} = \frac{24{,}5\,\rm{cm}}{11}\) und damit \(\lambda_{\rm{Luft}}=2 \cdot \frac{24{,}5\,\rm{cm}}{11} = 4{,}45\,\rm{cm}\).

Ist das KUNDTsche Rohr dagegen mit Erdgas gefüllt, so gilt \(\Delta L_{\rm{Erdgas}} = \frac{32{,}6\,\rm{cm}}{11}\) und damit \(\lambda_{\rm{Erdgas}}=2 \cdot \frac{32{,}6\,\rm{cm}}{11} = 5{,}93\,\rm{cm}\).

Nun gilt nach der Formel für die Bestimmung der Wellenlänge\[\lambda = \frac{c}{f} \Leftrightarrow f = \frac{c}{\lambda}\]Da in beiden Experimente die gleiche Erregerfrequenz genutzt wurde, muss deshalb hier gelten\[\frac{{{c_{{\rm{Luft}}}}}}{{{\lambda _{{\rm{Luft}}}}}} = \frac{{{c_{{\rm{Erdgas}}}}}}{{{\lambda _{{\rm{Erdgas}}}}}} \Leftrightarrow {c_{{\rm{Erdgas}}}} = \frac{{{\lambda_{{\rm{Erdgas}}}}}}{{{\lambda_{{\rm{Luft}}}}}} \cdot {c_{{\rm{Luft}}}}\]Mit \(c_{{\rm{Luft}}}=340\,\frac{\rm{m}}{\rm{s}}\) liefert das Einsetzen der gegebenen Werte (bei drei gültigen Ziffern Genauigkeit)\[{c_{{\rm{Erdgas}}}} = \frac{5{,}93\,\rm{cm}}{4{,}45\,\rm{cm}} \cdot 340\,\frac{\rm{m}}{\rm{s}}=453\,\frac{\rm{m}}{\rm{s}}\]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Mechanik

Mechanische Wellen