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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!

In dieser Folge treibt das Leo-Labor ein altes Kinderspielzeug an seine Grenzen: das Schlauchtelefon. 

Folge 7: Walgesänge oder Das Flüstern aus dem Schlauch

In Kinderspielzeug steckt oft erstaunlich viel Wissenschaft. Zum Beispiel in einem Kreisel: Ihn anzudrehen und seinem Schwanken und Rotieren zuzuschauen, ist kinderleicht. Die Stabilität der Rotationsachse mit der Erhaltung des Drehimpulses zu erklären, benötigt hingegen schon eine Menge Physik. Und wenn man gar berechnen will, warum sich der Kreisel auf einer so schwankenden Bahn in verschiedenen ineinander verschlungenen Kreisen bewegt, dann findet man sich in einem Geflecht aus Differentialgleichungen wieder, den Eulerschen Kreiselgleichungen, die jedem Physikstudenten den Kopf rauchen lassen. Ein ähnlich faszinierendes Spiel mit wissenschaftlichen Zusammenhängen ist das Schlauch- oder Rohrtelefon.

Schall verpufft im Raum

Der Effekt ist bekannt: Wenn man in einen Schlauch oder auch ein Rohr hineinspricht, dann kann ein Zuhörer am anderen Ende die Stimme erstaunlich gut verstehen. Der Schlauch trägt die Stimme über viele Meter und man hört sie am Ende deutlicher als durch die freie Luft. Um den Effekt zu verstehen, muss man sich vor Augen führen, wie sich Geräusche überhaupt ausbreiten: Schallwellen sind in Grunde Druckwellen, die sich durch die Luft fortpflanzen. Wenn wir etwas sagen, dann geht von unserem Mund eine Schallwelle aus, die sich wie eine immer größer werdende Kugel in alle Raumrichtungen ausbreitet. Die Intensität des Schalls wird nun durch die Oberfläche dieser Schallwellenkugel bestimmt: je größer die Oberfläche, desto geringer die Intensität. Da aber die Oberfläche mit dem Quadrat des Radius der Kugel zunimmt, reduziert sich diese Intensität sehr schnell mit zunehmendem Abstand von der Schallquelle. Verdoppelt man den Abstand, dann beträgt die Intensität nur noch ein Viertel, bei dreifachem Abstand, bleibt nur ein Neuntel und so weiter. Die Schallwelle verpufft also im freien Raum relativ schnell.

Gefangen im Schlauch

Beim Schlauchtelefon ist das anders. Hier breitet sich die Schallwelle nicht in alle, sondern nur in eine Raumrichtung aus, nämlich die Richtung, die der Schlauch vorgibt. An den Schlauchwänden werden die Wellen so reflektiert, dass sie weiter dem Schlauch folgen. Der Schlauch hält den Schall sozusagen gefangen. Dadurch wird die Fläche der Schallwellenfront nicht größer, wie bei der kugelförmigen Ausbreitung in freier Luft, sondern sie folgt dem konstanten Querschnitt des Schlauchs. Bildhaft kann man den Effekt mit dem Fliessen von Wasser vergleichen. Verschüttet man ein Glas Wasser auf einem Tisch, dann läuft das Wasser in alle Richtungen und auf der gegenüberliegenden Seite des Tischs wird kaum noch etwas herunter laufen. Gießt man das Wasser aber in einen Schlauch und lässt es so auf die andere Tischseite laufen, dann geht kaum etwas verloren. In ähnlicher Weise nimmt die Schallintensität theoretisch nicht ab. Praktisch allerdings geht ein gewisser Teil des Schalls auf jedem Meter Schlauch verloren. Das hat verschiedene Gründe, die man beachten sollte, wenn man selbst ein Schlauchtelefon bauen möchte.

Das optimale Schlauchtelefon

Erstens sollte der Schlauch nicht allzu dünnwandig sein. Bei einem Schlauch der nur einen Millimeter dick ist, bleibt der Querschnitt normalerweise nicht ganz konstant über die ganze Länge, weil er leicht zusammengedrückt werden kann. Außerdem reflektieren die dünnen Wände den Schall nicht nur, sondern lassen sich auch von ihm zum minimalen Schwingen anregen. Beide Effekte gehen auf Kosten der Lautstärke am Ausgang. Zweitens sollte der Schlauch innen möglichst gut reflektieren. Schläuche, die innen angeraut sind oder eine Textileinlage haben, schlucken zu viel Schall. Drittens sollte der Schlauch möglichst dick im Querschnitt sein. Bei einem herkömmlichen Gartenschlauch mit einem halben Zoll (also etwa 12 Millimetern) Durchmesser muss der Schall vom Mund aus zu sehr zusammengequetscht werden. Außerdem ist bei einem engen Schlauch die Wechselwirkung mit den Wänden, sozusagen die Reibung, größer als bei einem zum Beispiel einen ganzen Zoll weiten Schlauch. Viertens wird der Übergang vom Mund in den Schlauch deutlich verbessert, wenn man in beide Enden einen passenden Trichter steckt. Und noch ein letzter Tipp: Ein Ein-Zoll-Schlauch kostet pro Meter um die drei Euro. Das kann sich summieren, wenn man viele Meter überwinden will und vielleicht zwei Schläuche kombinieren will, um eine Hin- und eine Rückleitung zu haben. Deutlich billiger ist schlauchähnliches flexibles PVC-Rohr, das zum Verlegen von Elektrokabeln verwendet wird. Es funktioniert genauso gut wie ein Gummischlauch und kostet nur etwa 60 Cent pro Meter.

Brautwerbung auf Walisch

Das Prinzip des Schlauchtelefons ist aber nicht nur als Kinderspielzeug spannend, sondern auch für praktische Anwendungen. Früher wurden auf diese Weise zum Beispiel auf Schiffen und U-Booten die Kommandos übertragen. Noch heute funktioniert das Stethoskop, mit dem uns der Arzt abhorcht nach diesem Prinzip: Das Endstück, das an die Brust gedrückt wird enthält eine Membran, die die akustischen Wellen des Herzschlags aufnimmt. Zwei Schläuche transportieren dann den Schall direkt an die Ohren des Arztes. Und auch in der Natur wird das Schlauchtelefon auf erstaunliche Weise eingesetzt. Wale begeben sich zur Brautwerbung instinktiv in eine bestimmte Meerestiefe, den sogenannten SOFAR-Kanal. Die englische Abkürzung steht für „Sound Fixing an Ranging“. Das bedeutet, dass in dieser Wasserschicht der Schall durch eine sprunghafte Veränderung der Wassertemperatur und –dichte gefangen wird wie einem Schlauchtelefon und sich dann über eine weite Strecke mit nur geringem Verlust ausbreitet. Wenn die männlichen Wale also in diesem Kanal singen, dann erreichen sie mit diesem physikalischen Trick noch Weibchen, die mehrere hundert Kilometer entfernt sind. Da soll noch einer sagen, wer sich gut in Physik auskennt, habe Schwierigkeiten Frauen kennenzulernen.

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