Dieser Beitrag ist Teil der Mini-Woche, in der ich diese Woche an jedem Wochentag einen neuen Mini-Beitrag veröffentliche, der aber nicht wirklich mini ist.
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Ich war schon immer etwas verwirrt über Schall. Deshalb habe ich für den „Mini“-Beitrag am Dienstag beschlossen, etwas darüber zu schreiben.
Wir denken bei Schall an etwas, das wir hören – etwas, das Lärm macht. Aber rein physikalisch gesehen ist Schall nur eine Schwingung, die Materie durchdringt.
Die Art und Weise, wie eine Schwingung Materie „durchdringt“, ist die Form einer Schallwelle. Wenn du an Schallwellen denkst, denkst du wahrscheinlich an etwas wie das hier:1
Aber so funktionieren Schallwellen nicht. Eine solche Welle nennt man Transversalwelle, bei der sich jedes einzelne Teilchen auf und ab bewegt, um eine Schlangensituation zu schaffen.
Eine Schallwelle ähnelt eher der Situation eines Regenwurms:2
Wie ein Regenwurm bewegt sich der Schall durch Komprimieren und Dekomprimieren. Das nennt man eine Longitudinalwelle. Ein Slinky kann beide Arten von Wellen erzeugen:13
Schall beginnt mit einer Art Vibration, die eine Längswelle durch die Materie erzeugt. Sieh dir das an:4
So sieht Schall aus – stell dir aber eine sich ausbreitende Welle aus Kugeln vor, die das tut. In dieser Animation wird die Schallwelle von dem vibrierenden grauen Balken auf der linken Seite erzeugt. Der Balken könnte Ihre Stimmbänder, eine Gitarrensaite oder ein Wasserfall sein, der unaufhörlich in den Fluss hinunterstürzt. Wenn du dir die roten Punkte ansiehst, kannst du sehen, dass sich die Welle zwar in eine Richtung bewegt, aber jedes einzelne Teilchen nur hin und her schwingt und so die Schwingung des grauen Balkens nachahmt.
Anstelle einer kurvenreichen Schlangenwelle ist der Schall also eine Druckwelle, die bewirkt, dass jedes Teilchen der Luft entweder einen höheren oder einen niedrigeren Druck als normal hat. Wenn Sie also eine schlangenartige Darstellung einer Schallwelle sehen, bezieht sich das auf das Maß des Drucks, nicht auf den buchstäblichen Weg der Bewegung der Teilchen:5
Schallwellen können durch Luft gehen, wie wir es normalerweise erleben. Aber sie können auch durch flüssige2 oder feste Materie gehen – ein Großteil der Erschütterungen, die bei einem Erdbeben auftreten, ist das Ergebnis einer riesigen Schallwelle, die durch die Erde schwappt (in diesem Fall dient die Bewegung der Verwerfung als grauer und roter Balken in den obigen Animationen).
Wie steht es mit der Schallgeschwindigkeit? Nun, sie hängt davon ab, wie schnell sich die Druckwelle in einem bestimmten Medium bewegen kann. Ein flüssigeres Medium wie Luft ist stark komprimierbar, so dass die Welle länger braucht, um sich zu bewegen, während Wasser viel weniger komprimierbar ist, so dass es weniger „Nachgeben“ gibt, um die Welle zu verlangsamen. Es ist wie bei zwei Personen, die einen ausgestreckten Slinky zwischen sich halten – wenn eine Person ihr Ende in Richtung der anderen Person drückt, braucht die Welle ein wenig Zeit, um den Slinky hinunterzulaufen, bevor die andere Person sie spürt. Wenn die beiden Personen jedoch einen Besenstiel in der Hand halten, spürt der andere die Welle sofort, weil der Besenstiel viel weniger komprimierbar ist.6
Es macht also Sinn, dass die Schallgeschwindigkeit in der Luft (768 mph / 1.234 kmph unter normalen Bedingungen) etwa viermal langsamer ist als die Schallgeschwindigkeit im Wasser, die wiederum etwa viermal langsamer ist als die Schallgeschwindigkeit durch einen Festkörper wie Eisen.
Zurück zu uns und dem Hören. Die Ohren sind eine evolutionäre Erfindung, die es uns ermöglicht, Schallwellen in der Luft um uns herum zu registrieren und als Informationen zu verarbeiten – ohne Ohren wären die meisten Schallwellen für den Menschen nicht wahrnehmbar, nur die lautesten Geräusche würden wir als Vibration auf unserer Haut spüren. Die Ohren verleihen uns die magische Fähigkeit, selbst schwache Schallwellen so differenziert wahrzunehmen, dass wir in der Regel genau erkennen können, woher der Ton kommt und welche Bedeutung er hat. Und sie ermöglichen es uns, zu sprechen. Die wichtigste Art der menschlichen Kommunikation findet statt, wenn unsere Gehirne durch komplexe Muster von Luftdruckwellen Informationen an andere Gehirne senden. Haben Sie schon einmal darüber nachgedacht, wie unglaublich das ist?
Ich wollte gerade weitermachen, aber tut mir leid, ich komme nicht darüber hinweg. Wenn du das nächste Mal mit jemandem sprichst, möchte ich, dass du innehältst und darüber nachdenkst, was gerade passiert. Ihr Gehirn hat einen Gedanken. Es setzt diesen Gedanken in ein Muster von Druckwellen um. Dann schicken Ihre Lungen Luft aus Ihrem Körper, aber während Sie das tun, vibrieren Sie Ihre Stimmbänder auf genau die richtige Weise und Sie bewegen Ihren Mund und Ihre Zunge in genau den richtigen Formen, so dass die Luft, wenn sie Sie verlässt, in ein Muster aus Hoch- und Tiefdruckgebieten eingebettet ist. Der Code in dieser Luft breitet sich dann auf die gesamte Luft in der Umgebung aus, von der ein kleiner Teil im Ohr Ihres Freundes landet, wo er an seinem Trommelfell vorbeiströmt. Dabei wird das Trommelfell so in Schwingung versetzt, dass nicht nur der Code weitergegeben wird, sondern auch der genaue Ort im Raum und der jeweilige Tonfall, in dem er gesprochen wurde. Die Schwingungen des Trommelfells werden über drei winzige Knochen in einen kleinen Flüssigkeitssack geleitet, der die Informationen in elektrische Impulse umwandelt und sie über den Hörnerv ins Gehirn sendet, wo die Informationen entschlüsselt werden. Und all das geschieht in einer Achtelsekunde, ohne dass sich einer von Ihnen anstrengen muss. Sprechen ist ein Wunder.
Allerdings-
Das Ohr kann viele Eigenschaften eines gehörten Tons wahrnehmen, aber zwei der grundlegendsten sind Tonhöhe und Lautstärke.
Tonhöhe
Bei der Tonhöhe geht es um die Wellenlänge, d.h. wie weit die Druckwellen voneinander entfernt sind:7
Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Tonhöhe. Der Mensch kann Frequenzen bis zu 20 Hz (das ist eine 17 m lange Welle) und bis zu 20.000 Hz (1,7 cm) hören. Mit zunehmendem Alter verliert der Mensch die Fähigkeit, die höchsten Töne zu hören, so dass die meisten von Ihnen wahrscheinlich nichts hören, wenn sie die Frequenzen um 20 000 Hz herum hören (Ihr Hund wird da anderer Meinung sein). Aber es fällt Ihnen leichter, den untersten Teil des Frequenzbereichs zu hören.8 Der Grund, warum Sie tiefe Töne, wie tiefe Basstöne in der Musik, wahrnehmen können, liegt darin, dass die Wellenlänge so lang ist, dass eine volle Welle 1/20 Sekunde braucht, um Ihren Körper zu passieren (daher 20 Hz).34
Lautheit
Die Lautheit5 eines Tons, den wir hören, wird durch die Amplitude der Druckwellen bestimmt. In der obigen Animation haben hohe und tiefe Töne die gleiche Lautstärke, weil die Druckkurven am unteren Rand der Animation vertikal gleich groß sind. Lautere Töne haben eine größere Oszillation zwischen den Nieder- und Hochdruckabschnitten der Welle, d. h. laute Töne haben höhere Hochdruck- und niedrigere Niederdruckabschnitte als leise Töne.
Bei Tönen, die durch die Luft auf der Erdoberfläche dringen, ist der Durchschnitt der Hochdruck- und Niederdruckabschnitte der Welle unser normaler atmosphärischer Druck – das, was wir als 1 „Atmosphäre“ Druck bezeichnen. Eine Schallwelle könnte also eine Hochdruckkomponente von 1,0001 Atmosphären und eine Niederdruckkomponente von 0,9999 Atmosphären haben, und ein lauteres Geräusch könnte stattdessen 1,01/,99 sein – aber in beiden Fällen ist der Durchschnitt der beiden 1 Atmosphäre.
Wir messen die Lautstärke oft mit einer Einheit namens Dezibel (benannt nach Alexander Graham Bell). Wenn ihr verwirrt sein wollt, lest die Wikipedia-Seite über Dezibel. Es ist eine super eklige Einheit. Und anstatt uns beide mit Erklärungen zu langweilen, lass uns einfach darüber reden, wie wir Dezibel verwenden, um Schall zu messen.
Die Lautstärkeskala hat ein sehr kleines Minimum. Die leisesten Geräusche sind viel leiser, als ein Mensch sie hören könnte – sogar leiser, als eines unserer besten wissenschaftlichen Instrumente sie wahrnehmen könnte. Aber je nachdem, wo man sich befindet, hat der Schall ein hartes Maximum. Der Grund dafür ist, dass Schall kein Ding an sich ist – er ist eine Druckwelle, die sich durch ein Medium bewegt. Und da, wie bereits erwähnt, der Durchschnitt der Hoch- und Tiefdruckpunkte einer Schallwelle dem normalen Druck des Mediums entsprechen muss, wird die Lautstärke durch die Tatsache begrenzt, dass der Tiefdruckpunkt irgendwann auf den Nullpunkt trifft – ein Vakuum. Da der niedrige Druck nicht weiter sinken kann, bestimmt dieser Punkt die maximale Amplitude einer Schallwelle und die höchste Lautstärke, die ein Ton an einem bestimmten Ort erreichen kann.
Das Praktische an Dezibel (dB) ist, dass der absolut schwächste Ton, der für das menschliche Ohr wahrnehmbar ist, definitionsgemäß 0 dB beträgt – wir nennen das die „Hörschwelle“. Wissenschaftler tun ihr Bestes, um Geräusche bis weit in den negativen Bereich der Dezibel-Skala zu untersuchen, und es gibt auf der Erde von Menschenhand geschaffene Räume, in denen bis zu -9,4 dB registriert werden – wo es so leise ist, dass man das Blut durch das eigene Gehirn pumpen hören kann -, aber wir können nur Geräusche im positiven dB-Bereich hören. Die höchste Lautstärke, die ein anhaltender Ton auf der Erdoberfläche erreichen kann, liegt bei 194 dB – das ist der Wert, bei dem die Amplitude der Schallwelle so stark ist, dass der Unterdruckteil ein perfektes Vakuum ist (die Welle wechselt zwischen dem doppelten normalen Atmosphärendruck und überhaupt keiner Luft – nichts, was man dabei haben möchte). Schauen wir uns die gesamte Skala an, beginnend mit den wirklich leisen Tönen.
Eine Sache, die man sich merken sollte, ist, dass bei Dezibel jede Erhöhung um 10 dB die Lautstärke verdoppelt. 20 dB sind also doppelt so laut wie 10 dB, 30 dB sind viermal so laut wie 10 dB und 80 dB sind 128-mal lauter als 10 dB.69
Die Skala endet bei 194, weil es auf der Erdoberfläche keinen lauteren Ton gibt. Aber wir können auf zwei Arten darüber hinausgehen:
1) Schockwellen
Wenn genug Energie freigesetzt wird, um die 194-dB-Marke zu überschreiten, ist es zu viel, um eine anhaltende Druckwelle zu erzeugen, weil wir den Tiefstdruck erreicht haben – aber es passieren trotzdem Dinge. Sehr, sehr intensive Dinge.
Bei 194 dB gibt es eine maximale Welle, die zwischen dem doppelten normalen Druck und einem totalen Vakuum wechselt – aber sobald wir 195 dB erreichen, hört die Energie auf, sich durch die Luft zu bewegen und beginnt, die Luft mit einem sich ausdehnenden Vakuum nach außen zu drücken. Je mehr dB über 194 liegen, desto weiter reicht diese Vakuumblase und desto stärker wirkt sie. Sie dehnt sich als schnell wachsende Halbkugel aus:10
Am Rand der Blase befindet sich eine Barriere aus superkomprimiertem Gas, und wenn diese Barriere über das Land hinwegfegt, macht sie normalerweise alles platt, was sich ihr in den Weg stellt:11
Während sich die Halbkugel ausdehnt, verliert sie an Energie und löst sich schließlich auf. Aber wenn man sich in der Bahn einer Schockwelle befindet, bevor das passiert, hat man schlechte Karten. Erstens wäre der Aufprall auf die superkomprimierte Barriere so, als würde man gegen eine Ziegelmauer prallen (auf die gleiche Weise und aus dem gleichen Grund, warum ein Sturz von einer Brücke auf Wasser so ist, als würde man auf Beton fallen). Zweitens: Komprimierte Luft ist heiß. Drittens würde sie nicht nur alle Teile deines Körpers treffen, sondern auch durch deinen Körper gehen, und wenn sie stark genug wäre, könnte sie deine Knochen zu Pulver und deine Organe zu Suppe machen.
Hier sind einige berühmte 194dB+ Ereignisse:
Saturn V Start: Die Saturn V war ein Ungetüm, und die Schallwellen ihrer Starts waren so intensiv, dass sie Gras in einer Entfernung von einem Kilometer in Brand setzen konnten. Selbst in drei Meilen Entfernung würde ein Beobachter einen ohrenbetäubenden Schall von 135 dB wahrnehmen.12 Raketenstarts erzeugen einen so starken Schall, dass die Raumfahrtbehörden die Startrampe mit Wasser fluten, wenn die Rakete startet, um den Schall zu absorbieren, damit die Kraft der Druckwelle die Rakete nicht beschädigt.
Die Bomben von Hiroshima und Nagasaki: Nach den Quellen, die ich gelesen habe, erreichten sie eine Lautstärke von weit über 200 dB. Die Schockwelle war so stark, dass sie in 30 Sekunden 11 km zurücklegte.
Der Ausbruch des Vulkans Krakatoa 1883:13 Ich bin überwältigt von der Menge an Dingen, die ich euch über den Krakatoa erzählen muss. Lass uns Kugeln machen.
- Krakatoa ist eine Insel in Indonesien, und der Ausbruch geschah am 27. August 1883.
- Die Eruption vernichtete die Insel vollständig und schickte eine enorme Menge an Trümmern mit einer Geschwindigkeit von 27 km in den Himmel. Außerdem verursachte er einen der tödlichsten und weitreichendsten Tsunamis der Geschichte. Insgesamt starben bei der Eruption 36.000 Menschen.
- Aber das Erstaunlichste an der Eruption war ihr Geräusch. Er war so laut, dass die Druckwelle weit genug reichte, um die Trommelfelle von Seeleuten in 40 Meilen Entfernung zu zerreißen.
- In 100 Meilen Entfernung betrug der Schall immer noch 172 dB, genug, um die Ohren von Menschen dauerhaft zu zerstören oder sie sogar zu töten. Wo auch immer Sie sind, denken Sie an einen Ort, der etwa 100 Meilen (161 km) entfernt ist. Stellen Sie sich nun vor, dass dort etwas passiert, das einen so lauten Schall verursacht, dass Sie, wenn Sie aus vollem Halse direkt in das Ohr eines anderen Menschen schreien würden, dieser nicht in der Lage wäre, Sie zu hören, wenn der Schall auf ihn trifft. Zum Vergleich: Der Start der Saturn V war in 100 m Entfernung 170 dB laut. Krakatoa lag in 100 Meilen Entfernung noch höher.
- Das Geräusch durchschlug eine 483 km (300 Meilen) entfernte Betonwand.
- Das Geräusch war bis nach Australien zu hören (wo es wie ein weit entfernter Kanonenschuss klang) und sogar bis zur 3.000 Meilen entfernten Insel Rodrigues. 3.000 Meilen entfernt. Ich befinde mich derzeit in New York. Stellen Sie sich vor, in Kalifornien oder in Europa würde etwas passieren, das ich in New York hören könnte. Ich kann es nicht einmal.
- Nachdem das Geräusch schließlich weit genug weg war, dass die Menschen es nicht mehr hören konnten, spielten die Barometer auf der ganzen Welt in den nächsten Tagen verrückt, da die Schallwellen die Erde 3,5 Mal umkreisten.
- Schließlich kennen Sie das berühmte Gemälde Der Schrei? Weißt du, dass der Himmel aus irgendeinem Grund ganz rot ist? Der Himmel ist rot, weil der Maler Edvard Munch dazu inspiriert wurde, es zu malen, nachdem er den durch Krakatoa verursachten roten Himmel über der gesamten westlichen Hemisphäre im Jahr nach dem Ausbruch gesehen hatte.
Es war eine große Eruption.
2) Andere Medien
Es kann lautere Geräusche als 194 dB geben – nur nicht auf der Oberfläche der Erde. Es kann lautere Geräusche im Ozean, auf dem Land oder auf anderen Planeten geben. Die Gasriesen in unserem Sonnensystem haben zum Beispiel eine dichtere Atmosphäre als die Erde, was höhere Druckwellenamplituden ermöglicht, und mit unglaublich schnellen Winden und starken Stürmen gibt es dort reichlich Gelegenheit, laute Dinge zu machen.
Was nicht laut ist, ist fast alles andere im Weltraum. Du hast wahrscheinlich schon einmal den Ausdruck „Schall breitet sich nicht im Vakuum aus“ gehört, aber jetzt macht er Sinn, oder? Schall ist eine Druckwelle durch Materie. Wenn es keine Materie gibt, gibt es auch keinen Schall. Es kann immense Hitze, Strahlung und Kraft geben, aber für einen Beobachter in der Nähe ist alles totenstill.
Wenn, rein hypothetisch, das Universum mit Luft gefüllt wäre, dann würde es plötzlich sehr laut werden. Vergessen Sie die furchterregende Vorstellung vom Geräusch einer Supernova – allein die dumme Sonne, die dort herumhängt, würde mit einer erstaunlichen Lautstärke von 290 dB zu hören sein. Einem Sonnenphysiker zufolge würden wir das auf der Erde als 100-dB-Ton hören – die Lautstärke eines Motorrads – die ganze Zeit, jeden Tag, überall. Seien Sie froh, dass sich Schall nicht im Vakuum ausbreitet.
Ein letzter Gedanke-
Die Recherchen für diesen Beitrag und das Wissen darüber, was Schall ist, haben mir eine neue Perspektive auf den Baum gegeben, der im Wald fällt, ohne dass jemand da ist, der ihn hören könnte. Ich denke jetzt, dass er kein Geräusch macht. Er erzeugt eine Luftdruckwelle und das war’s. Das Konzept des Klangs ist per Definition die Wahrnehmung der Druckwelle durch ein biologisches Wesen – und wenn es keine Ohren gibt, die die Druckwelle wahrnehmen, gibt es keinen Klang. Das ist ein bisschen so, als würde man fragen: „Wenn die Menschheit ausstirbt und irgendwo in den postapokalyptischen Trümmern ein Foto einer schönen Frau liegt – ist sie dann noch schön?“ Ich glaube irgendwie nicht, dass sie es ist. Denn das Einzige, was an ihr schön ist, ist, dass die Menschen sie schön fanden, und ohne die Menschen ist sie nicht schöner als der weibliche Käfer, der ein paar Meter entfernt in den Trümmern herumwühlt. Richtig?
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born.gov.au: Die Eruption des Krakatoa, 27. August 1883