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Experimente sind die Grundlage aller Forschung. Experimente können verblüffen und überraschen, sie können überzeugen aber auch enttäuschen. Leonardo-Experimentator Sascha Ott wird einmal im Monat das Radio-Studio zum Labor machen und erstaunliche Phänomene hörbar machen. Warum funktioniert die Welt so und nicht anders? Und wird das Experiment gelingen?

Eine spannende Reportage führt nach jedem Experiment raus aus dem Studio-Labor an die Orte, wo das Phänomen im Alltag genutzt wird. Wissenschaft hautnah, spannend und informativ!

Tatütataa im Studio  oder Wie unsichtbare Wellen die Raser entlarven

Es ist ein akustisches Phänomen, das die meisten wohl fast jeden Tag erleben: Man steht am Straßenrand und ein Krankenwagen mit Signalhorn, die Feuerwehr auf Alarmfahrt oder einfach nur ein lauter Pkw rauschen vorüber. Das Sirenen- oder Motorengeräusch, das man dabei hört, verändert sich während das Fahrzeug uns passiert. Während das Fahrzeug sich nähert klingt der Ton zunächst höher, dann gibt es einen Sprung in der Tonhöhe und, wenn sich die Schallquelle entfernt, hören wir einen tieferen Ton. Ursache dieses Phänomens ist der berühmte Doppler-Effekt. Der österreichische Mathematiker und Physiker Christian Doppler sagte ihn 1842 voraus. Drei Jahre später gelang es mit Hilfe einiger Trompeter auf einem Eisenbahnzug, den Effekt erstmals zu demonstrieren. Den Doppler-Effekt jedoch im Kleinen in einem Wohnraum vorzuführen, ist nicht ganz einfach. Denn der Effekt nimmt mit der Geschwindigkeit der Schallquelle an Stärke zu. Die Geschwindigkeiten, die abseits der Straße erzeugt werden können, sind im Allgemeinen zu gering, um einen gut hörbaren Effekt zu erzielen. Wir behelfen uns daher mit einem kleinen Trick.

Dopplern geht auch drinnen

Wir nehmen ein paar kleine handliche Lautsprecherboxen und schließen sie mit einem einige Meter langen Kabel an den Computer an. Über den Rechner können wir nun über einen der im Internet online verfügbaren Sinustongeneratoren oder mit Hilfe der beliebten Gratis-Software „Audacity“ einen gleichmäßigen Sinuston auf die Lautsprecher geben. Nun stellen wir uns mit den Lautsprechern in wenigen Metern Entfernung vor einen Zuhörer und beginnen, die Boxen zügig und gleichmäßig vor und zurück zu bewegen, so weit und so schwungvoll, wie es unsere Arme vermögen. Für den Zuhörer beginnt die Tonhöhe im Rhythmus der Lautsprecherbewegung zu schwanken. Als Folge des Doppler-Effekts hört er den Sinuston etwas höher, wenn sich die Boxen auf ihn zu bewegen und etwas tiefer, wenn sie sich wieder entfernen. Das Ergebnis ist ein deutlich vernehmbares „Wabern“ des Tons. Die Geschwindigkeit mit der die Lautsprecher sich bewegen wird zwar wenige Meter pro Sekunde kaum überschreiten, aber durch die rhythmische Abfolge des geringen Tonhöhenwechsels, ist der Effekt trotzdem wahrnehmbar.

Wellen werden gestaucht und gezogen

Was beim Doppler-Effekt geschieht kann man sich am einfachsten anhand eines Schiffes vor Augen führen, das durchs Wasser fährt: Vorn vor dem Bug werden die Wellen zu kurzen Bugwellen zusammengeschoben. Hinter dem Heck hingegen laufen langgezogene Wellen vom Schiff weg. Was wir beim Wasser beobachten, passiert in ähnlicher Weise auch bei Luft, die durch Schallwellen in Schwingung versetzt wird. Töne, also Schallwellen, sind Luftdruckschwankungen. Bewegt sich eine Schallquelle, dann wird die Luft vorne zusammengedrückt. Die Schallwellen sind dann kürzer, ihre Frequenz ist somit höher, was einem höheren Ton entspricht. Hinter der Schallquelle passiert das Gegenteil: Wie beim Sog, der hinter einer schnellen Bewegung entsteht, werden die Schallwellen auseinandergezogen, ihre Frequenz sinkt und damit auch die Tonhöhe. Entscheidend für die Intensität des Doppler-Effekts ist, wie gesagt, der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Schallquelle und Zuhörer. Dabei ist es letztlich egal, wer von beiden sich bewegt: Auch wenn wir als Zuhörer mit dem Auto an einem ruhenden Lautsprecher vorüber fahren, nehmen wir den Effekt war. Wie stark sich die Tonfrequenzen bei Annäherung und Entfernung unterscheiden, lässt sich mit einer Formel berechnen. Fährt beispielsweise ein Auto mit 50 km/h an uns vorbei und hupt dabei mit der Tonhöhe 300 Hertz, dann sinkt die Tonfrequenz im Moment der Vorüberfahrt um circa 20 Hertz. Das entspricht in dieser Tonhöhe etwa dem Sprung zur benachbarten Klaviertaste vom „es’ “ hinunter zum „d’ “.

Mit Doppler den Rasern auf der Spur

Was bei Wasserwellen und Schall funktioniert, lässt sich auch auf die in unserer Welt häufigste Wellenform übertragen: die elektromagnetische Welle – von Ultraschall bis Infrarot, von Radiowellen bis zum Mobilfunk und natürlich auch zum sichtbaren Licht. In der Astronomie nutzt man beispielsweise das Phänomen der Rotverschiebung. Wenn sich ein Stern von der Erde wegbewegt, werden die von ihm ausgesandten Lichtwellen auseinandergezogen. Sie erreichen unsere Teleskope mit einer etwas geringeren Frequenz. Das Licht ist in Richtung des roten Farbspektrums verschoben. Daraus lässt sich zum einen ablesen, wie schnell sich der Stern von uns entfernt, zum anderen auch die Entfernung, da die Rotverschiebung im allgemeinen umso größer ist, je weiter entfernt der Stern ist. Ein weiteres Beispiel für eine praktische Anwendung des Doppler-Effekts ist uns häufig eher unliebsam: Die Radargeräte, mit denen die Polizei die Geschwindigkeit der Fahrzeuge misst, beruhen auf dem Doppler-Prinzip. Das Gerät sendet eine elektromagnetische Welle mit fest definierter Frequenz aus. Diese Welle wird an metallischen Gegenständen, zum Beispiel eine Autokarosserie reflektiert. Dabei wird die Welle in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs zusammengestaucht. Das Radargerät empfängt nun die reflektierte Welle, vergleicht deren Frequenz mit der ausgesandten Welle und kann nun mit hoher Genauigkeit die Geschwindigkeit des Fahrzeugs berechnen. Wenn es dabei mitunter zu Ergebnissen kommt, die der Autofahrer nicht wahrhaben mag, dann liegt das wahrscheinlich an dessen schlechtem Gewissen, vielleicht auch mal an einer falschen Zuordnung von Messung und Fahrzeug durch den Polizisten – aber der Doppler-Effekt, der trägt mit Sicherheit die geringste Schuld.

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