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Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien

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Team Realfilm
Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien
lernst du in der Primarschule 5. Klasse - 6. Klasse - Sekundarstufe 1. Klasse - 2. Klasse - 3. Klasse - 4. Klasse

Beschreibung Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien

Inhalt

Schallgeschwindigkeit Definition

Was ist Schallgeschwindigkeit?

Bei Schall handelt es sich um Druckschwankungen, die sich wellenförmig ausbreiten. Deswegen spricht man auch von Schallwellen. Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich diese Druckschwankungen ausbreiten. Sie bestimmt also, wie lange es dauert, bis ein Geräusch aus einer Schallquelle bei dir ankommt.

Wie groß ist die Schallgeschwindigkeit?

Wie hoch ist die Schallgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen?

Die Größe Schallgeschwindigkeit ist nicht immer und überall gleich, sondern hängt von mehreren anderen Einflussfaktoren ab. Einer dieser Faktoren ist die Temperatur: Wird ein Medium, zum Beispiel Luft, erwärmt, bewegen sich die einzelnen Luftteilchen schneller. Sie können dann die Schallschwingung schneller an andere Teilchen weitergeben, und die Schallgeschwindigkeit wird größer. Der allgemeine Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und Temperatur für Luft lautet also: Je höher die Temperatur, desto schneller der Schall. Deswegen wird die Schallgeschwindigkeit in Luft auch immer zusammen mit einer Temperatur angegeben. Bei $20\text{°C}$ beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft etwa $343 ~ \frac{\text{m}}{\text{s}}$. In der folgenden Tabelle ist die Schallgeschwindigkeit in Luft für verschiedene Temperaturen aufgelistet:

Temperatur in °C Schallgeschwindigkeit in Luft1 m/s Schallgeschwindigkeit in Luft km/h
50 361 1.300
30 349 1.256
20 343 1.235
0 332 1.195
-20 319 1.148
-30 313 1.127
-50 300 1.080

Neben Druckwellen bei Explosionen können sich sogar einige von Menschen gebaute Objekte schneller bewegen als die Schallgeschwindigkeit – Flugzeuge zum Beispiel. Die Concorde, eine französisch-britische Passagiermaschine, erreichte schon 1962 mit $2.405~\frac{\text{km}}{\text{h}}$ mehr als doppelte Schallgeschwindigkeit!

Wie schnell ist die Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Materialien?

Eine weitere Einflussgröße bei Festkörpern ist die Elastizität des Mediums. Schall breitet sich in Festkörpern nämlich etwas anders aus, als beispielsweise in Luft, weil die Teilchen sich nicht völlig frei bewegen können. Das können wir leicht verstehen, wenn wir uns die Wechselwirkung der Teilchen wie im folgenden Bild vorstellen.

Physik: Schallgeschwindigkeit in Festkörpern

Die Teilchen werden hier durch Kugeln repräsentiert, die durch Schraubenfedern verbunden sind. Eine Schallwelle wäre in diesem Modell eine Auslenkung der Kugeln, die zu einer Streckung und Stauchung der Federn führt. Zu Beginn wirkt eine Kraft auf die äußerste Kugel (4), und staucht so die Feder zwischen den Kugeln (3) und (4). Die gestauchte Feder will sich aber wieder auf ihre ursprüngliche Länge ausdehnen, und beschleunigt dabei Kugel (4) nach rechts und Kugel (3) nach links, die wiederum die Feder zwischen (2) und (3) staucht. So wandert die Schallwelle von rechts nach links.
Je höher die Elastizität der Schraubenfedern, umso größer ist auch die Schallgeschwindigkeit. Deshalb ist auch in Materialien mit höherer Elastizität die Schallgeschwindigkeit größer. Allgemein ist die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern und Flüssigkeiten größer als in Gasen. Das liegt daran, dass dort die Teilchen stärker gekoppelt sind, also die Wechselwirkung größer ist.

Insbesondere in Gasen hängt die Schallgeschwindigkeit auch von der Masse der Teilchen ab. Je leichter die Teilchen sind, desto weniger Energie wird benötigt, um sie in Bewegung zu versetzen. So kann sich die Schallwelle schneller ausbreiten. Ein sehr bekanntes Beispiel ist der Vergleich zwischen Luft und Helium. Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff, die beide etwa die 3,5-fache Masse von Helium haben. Deswegen ist die Schallgeschwindigkeit bei $20 \text{°C}$ in Helium etwa dreimal schneller als in Luft. Die höhere Geschwindigkeit führt auch zu der sehr hohen und piepsigen Stimme, die man durch das Einatmen von Helium bekommt.

Schallgeschwindigkeit – Beispiele

In der folgenden Tabelle sind Beispiele für Schallgeschwindigkeiten in verschiedenen Medien gegeben:

Medium Schallgeschwindigkeit in m/s bei 20°C Schallgeschwindigkeit in km/h bei 20°C
Schallgeschwindigkeit Luft1 343 1.235
Schallgeschwindigkeit Helium1 981 3.532
Schallgeschwindigkeit Wasser1 1.484 5.342
Schallgeschwindigkeit Eisen1 5.170 18.612
Schallgeschwindigkeit Stahl2 5.850 21.060
Schallgeschwindigkeit Glas3 4.000 bis 5.500 14.400 bis 19.800

Hier kannst du schnell sehen, dass sich der Schall in festen Materialien, wie zum Beispiel Eisen, wesentlich schneller ausbreitet als in Luft.

Schallgeschwindigkeit – Gewitter

Es gibt ein schönes Alltagsbeispiel, in dem du dein Wissen über die Schallgeschwindigkeit in der Luft nutzen kannst. Wenn ein Gewitter aufzieht, ist es gut zu wissen, wie weit es noch entfernt ist. Wenn es in weiter Entfernung blitzt, seht ihr den Blitz sofort, weil das Licht sich extrem schnell ausbreitet. Der Schall braucht in Luft allerdings eine ganze Weile, bis er dich erreicht, weil er nur etwa 343 Meter pro Sekunde zurücklegt. Wenn du also die Sekunden zwischen Blitz und Donner zählst, kannst du die Entfernung mithilfe der Schallgeschwindigkeit berechnen. Näherungsweise kannst du die Sekunden durch drei teilen, und erhältst so die ungefähre Entfernung in Kilometern.

Schallgeschwindigkeit Vakuum

Vielleicht hast du schon einmal einen Science-Fiction-Film gesehen, der im Weltraum spielt, und dich gefragt: „Wie hoch ist die Schallgeschwindigkeit im Vakuum?“. Die Antwort ist einfach: Im Vakuum gibt es keinen Schall, also auch keine Schallgeschwindigkeit. Du hast heute schon gelernt, dass Schallwellen Druckschwankungen sind, die sich in einem Medium ausbreiten. Im Vakuum gibt es aber keine Teilchen, und deswegen kann es auch keine Schallwellen geben und man kann im Weltall keine Schallgeschwindigkeit messen. Wenn man im Weltall ohne Helm überleben könnte, würde man also nichts hören. Wenn du also das nächste Mal einen Science-Fiction-Film siehst, in dem es im Weltall bei Explosionen laut knallt, kannst du deinen Eltern sagen, dass das in Wahrheit gar nicht sein kann.

Quellenverzeichnis

1 Lide, David R., ed. CRC handbook of chemistry and physics. Vol. 85. CRC press, 2004.

2 Joseph L. Rose: Ultrasonic Waves in Solid Media. Cambridge University Press, 2004, ISBN 978-0-521-54889-2

3 Friesecke, Andreas. Die Audio-Enzyklopädie: Ein Nachschlagewerk für Tontechniker. Walter de Gruyter, 2011.

Transkript Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien

Die Schallgeschwindigkeit wird oft mit 343 Metern pro Sekunde angegeben, aber das gilt nur unter der Bedingung, dass sich der Schall in 20 Grad Celsius warmer Luft fortbewegt. Unter anderen Bedingungen kann die Schallgeschwindigkeit sehr unterschiedlich sein. In Wasser ist Schall über viermal schneller als in Luft. Schallwellen sind Druckschwankungen, die sich wellenförmig in einem Medium ausbreiten. Der Schall in einem Medium kann nur so schnell sein wie die Übertragung der Schwingung eines Teilchens zum nächsten. Aber was ist die Folge? Die Schallgeschwindigkeit steigt mit der Temperatur. Wenn Moleküle erwärmt werden, bewegen sie sich schneller. Das ermöglicht ihnen eine schnellere Weitergabe der Schallschwingungen. Stellen wir uns die Wechselwirkung der Teilchen einfach mal als regelmäßig angeordnete Kugeln vor, die untereinander mit Schraubenfedern verbunden sind. Dann ist die Anziehung der Teilchen umso stärker, je elastischer das Medium ist. Wenn wir nun eine Schallwelle durch unser Modell wandern lassen, werden die Schraubenfedern gestreckt und gestaucht. Je elastischer das Material ist, desto schneller wird die Schwingung weitergeleitet und desto schneller wandert auch die Welle. Die Beschaffenheit des Mediums kann also die Geschwindigkeit stark beeinflussen. Im Allgemeinen pflanzt sich Schall in Festkörpern schneller fort, weil dort die Wechselwirkung zwischen den Teilchen am größten ist. Danach folgen die Flüssigkeiten und erst dann die Gase, weil sie die geringsten Wechselwirkungen aufweisen. In Medien unterschiedlicher Dichte, aber mit gleicher Teilchenanordnung, bewegt sich der Schall im weniger dichten Medium schneller, weil die Masse der einzelnen Moleküle dort kleiner ist. Um die leichteren Moleküle zu bewegen, wird weniger Energie benötigt, sodass sich der Schall schneller ausbreiten kann. Heliumatome haben eine geringere Masse als Luftmoleküle, daher ist der Schall in Helium dreimal schneller als in Luft. Die Schallgeschwindigkeit hängt also von sehr vielen Faktoren ab. Darum ist es unmöglich, von einer allgemein gültigen Schallgeschwindigkeit zu sprechen.

10 Kommentare

10 Kommentare
  1. gut

    Von N Kembel, vor etwa einem Monat
  2. Perfekt

    Von Hiranur , vor 4 Monaten
  3. Hallo @Weber Natascha,

    danke für deinen Kommentar. Wir arbeiten stetig an der Verbesserung unserer Inhalte und freuen uns immer über Feedback.
    Liebe Grüße aus der Redaktion

    Von Cansu Ayguezel, vor 6 Monaten
  4. das Video ist gut mich hat aber die Hintergrundmusik gestört

    Von Weber Natascha, vor 6 Monaten
  5. Ich finde es sehr gut gelungen!

    Von Itslearning Nutzer 2535 37082, vor 8 Monaten
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Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien kannst du es wiederholen und üben.
  • Bestimme, in welchem Medium sich der Schall schneller oder langsamer ausbreitet.

    Tipps

    Ölmoleküle sind schwerer als Wassermoleküle.

    Je stärker die Bindung zwischen den Atomen, desto schneller der Schall.

    Lösung

    Die Schallgeschwindigkeit in einem Stoff ist höher, wenn die Bindungen zwischen den einzelnen Molekülen darin stärker sind. Diese Bindungen sind umso stärker, je fester ein Stoff ist. In der Luft ist die Schallgeschwindigkeit deshalb geringer als in den beiden Flüssigkeiten und im Holz ist sie noch höher. Die unterschiedliche Schallgeschwindigkeit in Wasser und Öl bestimmt das Gewicht der einzelnen Moleküle. Weil die Moleküle des Öls schwerer sind als die Wassermoleküle, ist die Schallgeschwindigkeit im Wasser etwas höher.

  • Beschreibe die Schallausbreitung.

    Tipps

    Je stärker die Bindungen zwischen den Molekülen, desto fester ist ein Stoff.

    Schall breitet sich durch die Schwingungen der Moleküle in einem Stoff aus.

    Lösung

    In einem Medium pflanzt sich der Schall als Welle fort, indem die Moleküle des Mediums vor- und zurückschwingen. Deshalb wird die Schallgeschwindigkeit davon bestimmt, wie schnell die Schwingungen von Molekül zu Molekül weitergegeben werden. Je stärker die Bindungen zwischen den einzelnen Molekülen sind, desto stärker kann ein Molekül das nächste anstoßen. Deshalb ist der Schall in Gasen langsamer als in Flüssigkeiten und in Festkörpern am schnellsten.

    Die Schallgeschwindigkeit ist zudem umso höher, je leichter die einzelnen Moleküle sind und weil sich die Moleküle in einem warmen Medium schneller bewegen als in einem kalten, ist dort auch der Schall schneller.

  • Werte die Aussagen zur Schallgeschwindigkeit aus.

    Tipps

    Die Nordsee hat einen deutlich höheren Salzgehalt als die Ostsee.

    Salz im Wasser verstärkt die Bindungen zwischen den einzelnen Molekülen.

    Zwischen den Atomen in einem Diamanten gibt es die stärksten Bindungen.

    In einem Vakuum gibt es keine Moleküle.

    Lösung

    Schall breitet sich in einem Medium aus, indem er sich von einem Molekül zum nächsten fortpflanzt. Im Vakuum des Weltalls kann sich der Schall deshalb nicht fortpflanzen, da es dort keine Moleküle gibt. Die Schallgeschwindigkeit hängt besonders von der Stärke der Bindungen zwischen den Molekülen ab. Im Diamant gibt es die stärksten Bindungen, deshalb ist der Schall darin schneller als in allen anderen Stoffen.

    Weil Salz die Bindungen zwischen Wassermolekülen verstärkt, ist der Schall in salzigem Wasser etwas schneller als in Süßwasser. In der salzigen Nordsee ist der Schall deshalb ebenfalls schneller als in der Ostsee, die weniger salzig ist. In festem Eis sind die Bindungen ebenfalls stärker als in flüssigem Wasser und damit ist auch der Schall schneller.

    Weil auch eine höhere Temperatur die Schallgeschwindigkeit erhöht, ist der Schall in einer Sauna schneller als außerhalb.

  • Bestimme die Schallgeschwindigkeiten.

    Tipps

    Kupferatome sind etwas schwerer als Eisenatome.

    Welche Schallgeschwindigkeiten kennst du bereits?

    Heliumatome sind etwas leichter als Luftmoleküle.

    Lösung

    Die Schallgeschwindigkeit von Luft liegt bei etwa 340 m/s bei 20°C. Weil Heliumatome etwas leichter sind als die Moleküle der Luft, ist die Schallgeschwindigkeit in Helium etwas höher und liegt bei 981 m/s.

    Die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist wiederum höher, weil die Verbindungen zwischen den Molekülen etwas stärker sind als in den Gasen. Sie liegt bei etwa 1500 m/s. Die Verbindungen zwischen den Atomen der Metalle sind wiederum stärker als in der Flüssigkeit, sodass die Schallgeschwindigkeiten ebenfalls höher sind. Weil aber die Eisenatome leichter sind, ist der Schall im Eisen am schnellsten. Die Schallgeschwindigkeit im Eisen ist 5170 m/s und im Kupfer 4660 m/s.

    Im Diamant ist die Schallgeschwindigkeit mit 18000 m/s am größten.

  • Bestimme, wie weit das Gewitter entfernt ist.

    Tipps

    Das Licht eines Blitzes ist nahezu sofort über weite Entfernungen sichtbar.

    Berechne, welchen Weg der Schall in dieser Zeit etwa zurücklegt.

    Lösung

    Der Schall legt in Luft etwa 340 Meter pro Sekunde zurück. In drei Sekunden reist der Schall demnach 1020 Meter weit, also etwa einen Kilometer.

  • Ermittle die fehlenden Größen.

    Tipps

    Der Schall benötigt jeweils die halbe Zeit für den Hin- und Rückweg. Für die Schallgeschwindigkeiten gilt:

    • Wasser: $1500\ \frac{\text{m}}{\text{s}}$
    • Luft: $342\ \frac{\text{m}}{\text{s}}$

    Überlege auch anhand der Einheiten, wie du die gesuchten Größen bestimmen kannst.

    Multipliziere die Schallgeschwindigkeit mit der Zeit, um die gesamte Strecke zu bestimmen.

    Teile die Entfernung durch die Schallgeschwindigkeit, um die benötigte Zeit zu bestimmen.

    Lösung

    Unter Wasser bewegt sich der Schall mit einer Geschwindigkeit von $1500\ \frac{\text{m}}{\text{s}}$ fort. In den $124$ Sekunden legen die Rufe der Wale also folgende Strecke zurück:

    $1500\ \frac{\text{m}}{\text{s}}\cdot 124\ \text{s}=186000\ \text{m}=186\ \text{km}$

    In dieser Strecke sind der Hinweg und der Rückweg enthalten. Die Entfernung der Wale ist also genau die Hälfte und liegt bei $93$ Kilometer.

    In der Luft benötigt der Schall für diese Entfernung folgende Zeit:

    $\frac{93000\ \text{m}}{343\ \frac{\text{m}}{\text{s}}}=271 \text{s}$

    Für den Hin- und Rückweg wären es demnach $542$ Sekunden.

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