Schallgeschwindigkeit

Die Ausbreitung von Schall kann man sich ungefähr so vorstellen wie die Ausbreitung von Wellen, wenn ein Stein ins Wasser fällt. Diese Wellen breiten sich kreisförmig in alle Richtungen gleich schnell rund um den Stein aus. Und genauso breitet sich Schall als unsichtbare Welle in der Luft rund um eine ruhende Schallquelle (z.B. Lautsprecher) aus. Man spricht deshalb von Schallwellen. Bei den Wasserwellen hat der Abstand zwischen zwei Wellen (besser gesagt zwischen zwei Wellenbergen, das ist jeweils der höchste Punkt der Welle, zu den dazwischen liegenden tiefen Stellen sagt man Wellentäler) keine wesentliche Bedeutung, bei den Schallwellen hingegen schon. Der Abstand zwischen diesen Wellenbergen gibt nämlich die Wellenlänge an, aus der man sich wiederum die Frequenz berechnen kann. Die Frequenz einer Schallwelle sagt uns, wie hoch der Ton klingt, den wir hören.

Warum klingt eine Rettungssirene manchmal höher und manchmal tiefer?

Wenn man sich neben einem stehenden Auto (dessen Motor läuft) befindet, hört man immer die gleiche Tonhöhe, egal ob man daneben, dahinter oder vor dem Auto steht, weil diese Schallquelle Wellen in alle Richtungen mit gleicher Geschwindigkeit aussendet. Fährt dieses Auto, dann fährt es in der einen Richtung (nach vorne) den Schallwellen nach, wobei es sich, wenn man nach hinten blickt, von den Wellen entfernt. Das führt zu einer Verschiebung der Abstände zwischen den Wellenbergen. Vor dem Auto sind sie zusammengeschoben, hinter dem Auto auseinandergezogen. Das heißt, die Schallwellen haben vor dem Auto eine andere Frequenz (also eine andere Tonhöhe) wie dahinter. Das ist der Grund, warum man z.B. die Tonhöhe der Sirene eines vorbeifahrenden Rettungswagens unterschiedlich wahrnimmt. Wenn er auf uns zukommt, hört man einen hohen Ton, wenn er sich von uns entfernt einen tieferen. Diesen Effekt nennt man Dopplereffekt, benannt nach seinem 1803 in Salzburg geborenen Entdecker, Christian Andreas Doppler.

Der große Knall

Wie beim Licht ist auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall in verschiedenen Materialien unterschiedlich groß. Für uns wesentlich ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft, diese beträgt in etwa 331m/s oder 1192km/h. Manche Flugzeuge können aber noch schneller fliegen, wobei es bei Erreichen der Schallgeschwindigkeit zu einem lauten Knall kommt. Den Grund dafür kennen wir eigentlich schon: Wie beim Auto schieben sich auch beim Flugzeug die Wellenberge der Schallwellen in Bewegungsrichtung zusammen. Wenn das Flugzeug mit Schallgeschwindigkeit fliegt – bzw. noch schneller, ergibt sich folgendes Bild:

Fliegt das Flugzeug mit Schallgeschwindigkeit, so schieben sich die Wellenberge zu einer Front zusammen, man nennt das die Schallmauer. Beim Durchfliegen dieser Schallmauer entsteht ein lauter Knall, da man hier viele Schallwellen auf einmal hört.

Ein bekanntes Beispiel für ein Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit, ist die Concorde. Sie erreichte Geschwindigkeiten von über 2200km/h, also fast doppelte Schallgeschwindigkeit!