Plopp: So schnell ist der Schall

Das Entkorken einer Weinflasche verbinden Viele mit dem Beginn eines gemütlichen Abends. Mit Korken­zieher und Smartphone lässt sich aber auch in erstaunlich einfacher Weise die Schall­geschwindigkeit in Luft bestimmen. Der Wissens­durst steht einem netten Abend gewiss nicht im Weg.

Physik und Genuss, das geht sehr gut zusammen, wie Thomas Vilgis in seiner Kolumne „Mol-Gastronomie“ in „Physik in unserer Zeit“ viele Jahre lang demonstriert hat. Die neue Reihe „Physik im Weinkeller“ widmet sich nun den physikalischen Eigenschaften eines beliebten Getränks und Kulturguts: Wein. Dazu starten wir mit dem Vorgang, der am Anfang des Genusses steht. Wenn eine Weinflasche mit einem einfachen Korkenzieher geöffnet wird, dann lässt sich das wohlbekannte und vielversprechende „Plopp“ vernehmen.

Das charakteristische Geräusch entsteht, wenn in dem Moment, in dem der Korken den Flaschenhals verlässt, durch Reibung und strömende Luft ein breites Spektrum an akustischen Frequenzen zustande kommt und daraus eine bestimmte Frequenz durch Resonanz verstärkt wird. Der dafür benötigte Resonator wird durch den zylinderförmigen Raum im Flaschenhals zwischen dem Weinpegel und der Ebene der Flaschenöffnung gebildet. Im akustischen Sinn handelt es sich dabei um eine einseitig geschlossene, also gedackte Pfeife. Diese kennzeichnet eine Resonanzfrequenz, die hauptsächlich von der Länge L der schwingenden Gassäule abhängt, die einem Viertel der Wellenlänge der schwingenden Gassäule entspricht. Die Frequenz des „Plopp-Geräuschs“ ergibt sich nun durch die Schallgeschwindigkeit, geteilt durch die vierfache Länge L. Dabei haben wir von der Gleichung für die Schallgeschwindigkeit Gebrauch gemacht. Die so bestimmte Resonanzfrequenz wird verstärkt und von uns als „Plopp“ wahrgenommen.

Mit einer geeigneten App, zum Beispiel Spektroskop für iOS oder Schall­analysator für iOS und Android kann man diese Frequenz auch als deutlichen Peak messen. Für die Messung der Schall­geschwindigkeit ist also nur eine geschlossene Weinflasche, einen Korkenzieher und ein Smartphone nötig.

Um ein genaueres Ergebnis zu erreichen, sollten wir jedoch noch die Länge der Gassäule um die Mündungs­korrektur ergänzen, die den Einfluss des Öffnungs­radius R einbezieht. Ist dieser Radius bezogen auf die Länge der schwingenden Gassäule relativ groß, wie es beim Flaschenhals der Fall ist, lässt sich die Mündungs­korrektur nicht vernachlässigen. Die empirisch bestimmte Korrektur erhält man, indem man die Länge L um den Betrag 0,61•R vergrößert.

Für die Beispielmessung haben wir die Länge der Gassäule zu 6 cm bestimmt. Der Innenradius beträgt hier wie bei den meisten Standard-Weinflaschen 1 cm. Mit der gemessenen Frequenz von 1254 Hz ergibt sich somit eine Schallgeschwindigkeit von 332 m/s. Nimmt man für das Gas vereinfachend Luft an und vernachlässigt die Alkohol­dampfanteile, ließe sich bei Zimmer­temperatur ein Wert von etwa 345 m/s erwarten. Damit ist für ein solch einfaches Freihand­experiment eine mehr als zufriedenstellende Genauigkeit.

Lutz Kasper, PH Schwäbisch Gmünd, Patrik Vogt, ILF Mainz

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Kasper, P. Vogt: Plopp – so schnell ist der Schall – Physik im Weinkeller, Physik in unserer Zeit, online 2. November 2021; DOI: https://doi.org/10.1002/piuz.202170609
  L. Kasper, P. Vogt: Corkscrewing and speed of sound: A surprisingly simple experiment, Phys. Teacher 36, 278 (2020); DOI: https://doi.org/10.1119/1.5145480
• Spaichinger Schallanalysator, App für iOS und Android