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Einfaches Kinderspielzeug spiegelt mitunter eine grundlegende Erfahrung der Naturwissenschaft wider: Hinter auf den ersten Blick simplen Effekten stecken oft ziemlich komplexe Abläufe und eine Menge Wissenschaft. So kommt es, dass Spielzeug durchaus die Neugier seriöser Forscher weckt, die dann den spielerisch hervorzurufenden Phänomen mit wissenschaftlicher Akribie auf den Grund gehen. Zum Beispiel haben japanische Physiker vor einigen Jahren mit Hilfe eines Windkanals und hochempfindlicher Miniatur-Windmessgeräte in aufwändigen Experimenten ein simples Stückchen geriffelten Plastikschlauch untersucht.

Luftstrom lässt den Schlauch heulen

Einen solchen Schlauch kann man im gut sortierten Spielwarenhandel als „singenden Schlauch“ erwerben oder man kauft einfach und deutlich preisgünstiger ein Stück geriffelten Plastikschlauch im Baumarkt. Lässt man diesen Schlauch über dem Kopf rotieren, dann ertönt ein heulender Ton. Die Tonhöhe steigt an mit der Geschwindigkeit der Rotation. Das ist nicht selbstverständlich. Probiert man dasselbe mit einem normalen Stück Gartenschlauch, bekommt man kaum mehr als ein dumpfes Wummern zu hören. Der entscheidende Unterschied liegt also wohl in der geriffelten Oberfläche des Schlauchs. Was passiert beim Schwenken des Schlauchs? Man braucht kein japanisches High-Tech-Labor, um zunächst herauszufinden, dass durch den Schlauch beim Rotieren Luft strömt. Das beweist ein einfacher Test: Wenn man mit einem Fön in den Schlauch pustet bekommt man das gleiche heulende Ergebnis. Bei einem Fön mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsstufen zeigt sich, dass der Ton umso höher wird, je schneller die Luft durch den Schlauch strömt.

Verwirbelte Luft durch Riffelung

Dass eine solche Luftströmung beim Rotieren durch die Luft entsteht, liegt vor allem an den wirkenden Fliehkräften. Stellt man sich vor, der Schlauch wäre mit Steinchen oder Murmeln gefüllt, dann wird leicht einsichtig, dass diese beim Rotieren des Schlauchs aus der Schlauchöffnung herausgetrieben werden. Gleiches geschieht auch mit der Luft. Hinzu kommt eine geringfügige Sogwirkung durch den so genannten Bernoulli-Effekt: Die schnelle Bewegung sorgt dafür, dass am Schlauchende die Luft mit hoher Geschwindigkeit an der Öffnung vorbeizieht, was einen Unterdruck zur Folge hat, der die Luft aus dem Schlauch heraussaugt. Wenn man aber herausfinden will, warum der Luftstrom einen Ton erzeugt, wird die Sache schon kniffliger und hier kommen nun die japanischen Spezialisten ins Spiel. Sie haben genau untersucht, wie sich die Luft um die Riffelungen herum bewegt. Dabei sahen sie, dass die Luft durch die dichte Abfolge kleiner Riffelungen derart in ihrem Fluss gestört wird, dass sie winzige Wirbel bildet. Die regelmäßigen Riffelungen verursachen eine regelmäßige Folge von Wirbeln, die Luftdruckunterschiede im Schlauch erzeugen. Regelmäßige Schwankungen des Luftdrucks sind aber nichts anderes als Schallwellen.

Springende Töne

Hört man genau hin, dann fällt noch eine Eigenart des singenden Schlauchs auf: Die Tonhöhe steigt bei immer schneller werdendem Rotieren nicht kontinuierlich an, sondern in diskreten Sprüngen. Der Schlauch ist also offenbar keine Handsirene, bei der ja das Heulen durch immer schnelleres Drehen an der Kurbel in einem kontinuierlichen Bogen ansteigt. Die Töne, die der Schlauch hervorbringen kann, hängen von seiner Länge ab. Denn es wird immer nur dann ein Ton hörbar, wenn die Wellenlänge der sich im Schlauch ausbildenden Schallwelle in einem bestimmten Verhältnis zur Schlauchlänge steht. Der tiefste Ton entsteht, wenn genau eine Wellenlänge in den Schlauch passt, beim nächst höheren Ton entspricht die Schlauchlänge der anderthalbfachen Wellenlänge, dann der zweifachen und so weiter. Das heißt, bei einem Schlauch von einem Meter Länge und einer Schallgeschwindigkeit in Luft von etwa 340 Metern pro Sekunde hört man als tiefsten Ton angenehm tiefe 340 Hertz. Schwenkt man den Schlauch schneller, dann bekommt man 510 Hertz, dann 680 Hertz zu hören.

Beim Staubsauger heult nur das Gebläse

Man muss nicht lange überlegen, um eine praktische Anwendung zu finden, bei der ebenfalls große Mengen Luft durch einen geriffelten Schlauch gesogen werden: Ein Staubsauger zieht in der höchsten Saugstufe etwa 40 Liter pro Sekunde durch den Schlauch. Auch dieser Schlauch ist regelmäßig geriffelt, damit er beweglich ist und sich der Schlauchquerschnitt selbst bei starken Biegungen nicht verringert. Daher sollte man nach den Erfahrungen mit dem Spielzeugschlauch eigentlich erwarten, dass auch hier intensive Heulgeräusch entstehen. Dass der Staubsauger vergleichsweise leise seine Arbeit verrichtet, liegt an einem cleveren Trick der Staubsaugerentwickler. Der Schlauch des Staubsaugers ist zwar außen geriffelt, innen aber sind die Wülste der Riffelung abgeplättet. Dadurch können sich keine regelmäßigen Luftwirbel ausbilden, keine Schallwelle und somit auch kein Heulton. Der Staubsauger ist zwar auch nicht gerade das leiseste Haushaltsgerät, aber seine Geräusche stammen vor allem vom Gebläse und der einströmenden Luft an der Düse. Der geriffelte Schlauch lässt die Luft still und glatt durchströmen, und das ist auch gut so, denn sonst wäre uns wohl das Staubsaugen noch lästiger als ohnehin schon.

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