1. No category

Experiment 11: Strukturbildung auf
schwingender Platte
einfach vorhanden (1x)
Stand: 17.03.2015 // v10
Phänomen
Feines Glasperlengranulat wird auf einem Lautsprecher zum Schwingen angeregt und bil­
det dabei verschiedene Muster, abhängig von Frequenz und Amplitude. Das schwingende
Glasgranulat kann sich sogar eine Steigung hinauf bewegen.
Material
• Glasperlengranulat (70–110 µm)
• Lautsprecher mit Dose (Rüttler)
• Verstärker (CT­C2 oder Shark)
• 2x Cinch zu 3,5 mm­Klinke Adapterkabel
• ein Haftpad
Zusätzlich benötigtes Material
• 12 V­Gleichspannungsquelle
• Signalquelle (MP3­Player, Laptop, Smartphone o.ä.)
Vorbereitung
1. Aufbauen:
• Haftpad auf dem Tisch anbringen, Rüttler darauf stellen
• die Schale des Rüttlers öffnen und ca. einen Esslöffel
Glasgranulat hineingeben
www.niliphex.de
aktuelle Dokumentation und weitere Materialien
1/7
Experiment 11: Strukturbildung auf schwingender Platte
2. Verkabelung und Inbetriebnahme des Rüttlers:
•
Verstärker: Am Verstärker sind bereits Kabel angebracht: a) zur Spannungsver­
sorgung (eine Zwillingsleitung) und b) zum Lautsprecher (je eine Zwillingsleitung
für das Signal L (Links) und R (Rechts)). Zusätzlich gibt es zwei Cinch­Eingänge
für das Audio­Signal.
•
Spannungsversorgung: Die Bananen­
stecker müssen an einer 12 V­Gleich­
spannungsquelle angeschlossen werden
(schwarz an den negativen Pol und rot an
den positiven Pol). Eine Unterversorgung
mit einer zu niedrigen Spannung ist für
den Verstärker ungefährlich, eine Über­
versorgung mit einer zu hohen Spannung kann den Verstärker beschädigen.
•
Lautsprecherverkabelung: Zwei der roten Steckschuhe
müssen an den Steckverbindern am Lautsprecher ange­
bracht werden. Es sind insgesamt vier rote Steckschuhe
vorhanden (zwei für den linken Kanal und zwei für den
rechten Kanal des Stereo­Verstärkers). Es muss darauf
geachtet werden, dass die beiden angeschlossen Steck­
schuhe vom gleichen Kanal sind.
www.niliphex.de
aktuelle Dokumentation und weitere Materialien
2/7
Experiment 11: Strukturbildung auf schwingender Platte
•
Audio-Signal: Das mitgelieferte 2x Cinch zu 3,5 mm­Klinke Adapterkabel muss
mit den am Verstärker vorgesehenen Buchsen verbunden werden (beim Shark­
Verstärker vorher die Schutzkappen entfernen); ebenso der Klinkenstecker mit
einer Signalquelle (MP3­Player, Laptop, Smartphone o.ä.).
•
Software/Signalgenerator: Als Signalquelle können alle Geräte genutzt werden,
die ein Audio­Signal ausgeben (s.o.). Je nach Gerät unterscheiden sich die maxi­
malen Ausgangslautstärken.
Für Geräte mit Internetzugang bietet sich die Nutzung der Webseite:
http://onlinetonegenerator.com/ an, auf der verschiedene Frequenzen eingestell­
ten werden können.
Es muss bedacht werden, dass Laptops und Computer auch auf maximale Laut­
stärke geregelt werden können (Lautsprechereinstellungen etc. beachten), damit
das Experiment funktioniert.
Alternativ können für Smartphones kostenlose Frequenzgeneratoren genutzt
werden (z. B. Android: keuwl function generator, IPhone: Audio Funktionsgenera­
tor) oder es können MP3­Dateien mit unterschiedlichen Frequenzen können
auch von www.niliphex.de heruntergeladen werden.
•
Einstellungen: Der Verstärker sollte auf maximale Lautstärke eingestellt wer­
den. Die Regelung der Amplitude (Lautstärke) wird dann an der Signalquelle vor­
genommen. Ebenso sollten die Filter am Verstärker auf 'Low' gestellt sein (CT­
C.2) bzw. der Bass maximal verstärkt werden (Shark).
Durchführung
An der Signalquelle werden verschiedene Sinusfrequenzen und Amplituden eingestellt.
Vorsicht: Bei kleinen Frequenzen (< 15 Hz) und hohen Amplituden (> 60 % Maximalleis­
tung des Verstärkers) wird das Glasperlengranulat über den Dosenrand hinaus geschos­
sen.
Zu beachten ist auch, dass die Schwingungsamplitude des Lautsprechers (Höhe des Hubs
der Lautsprechermembran) sich auch mit der Frequenz verändert. Je höher die Frequenz
ist (bei gleichbleibender Spannungsamplitude), desto geringer ist die Schwingungsamplitu­
de der Lautsprechermembran.
www.niliphex.de
aktuelle Dokumentation und weitere Materialien
3/7
Experiment 11: Strukturbildung auf schwingender Platte
1. Verschiedene Strukturen: Mit den folgenden Einstellungen können die gezeigten
Strukturen erzeugt werden.
Einstellung
Foto
Strukturbeschreibung
A Frequenz:
Amplitude:
30 Hz
mittel
• Hügel bilden sich
• große Strukturen 'fressen'
kleine Strukturen
• neue Berge bilden sich und
bewegen sich zurück in die
großen Strukturen
B Frequenz:
Amplitude:
33 Hz
hoch
• Berge vorhanden umrahmt
von netzartiger Struktur
• Struktur von Schichtdicke
abhängig (überprüfbar in­
dem vorsichtig auf das Gra­
nulat gepustet wird, da­
durch verschwinden Berge
und es entstehen dünne
Schichten)
C Frequenz:
Amplitude:
18 Hz
hoch
• keine Berge
• netzartige Struktur, die bi­
när wechselt
2. Bergsteigendes Granulat: Der Laut­
sprecher muss leicht angekippt wer­
den. Dies kann z. B. erreicht werden,
indem das Haftpad ein­ bis zweimal an
einer Seite umgeschlagen und dann
der Rüttler darauf befestigt wird.
Einstellung: ≈ 25 Hz; ≈ 80 % Amplitude
Dann kann beobachtet werden, die
das Granulat sich die Steigung hinauf
bewegt
www.niliphex.de
aktuelle Dokumentation und weitere Materialien
4/7
Experiment 11: Strukturbildung auf schwingender Platte
Mögliche weitere Aktivitäten
• Untersuchungen zum Verhalten anderer Granulate auf der schwingenden Platte
und beobachten, welche Strukturen sich damit erzeugen lassen. Mögliche Ideen
wären: Sand, feineres Glaspulver, Bärlappsporen/Lykopodiumpulver, Couscous etc.
•
Untersuchen, welche verschiedenen Strukturen sich in Abhängigkeit von Frequenz
und Amplitude (Lautstärke) finden lassen. Diese skizzieren und die Parameterberei­
che dazu notieren.
•
Beobachten der 'bergigen' Strukturen (A und B). Was passiert mit den kleineren Hü­
geln?
•
Erstellung eines Phasendiagramms, in dem die verschiedenen Strukturen A bis C in
unterschiedlichen Farben dargestellt werden, in Abhängigkeit von jeweiligen Fre­
quenz und Amplitude. Dazu müssen die verschiedenen Einstellungen ausprobiert
und überprüfen werden, welche der Strukturen A bis C dabei jeweils beobachtet
werden können.
Hinweise
• Ein eigener Verstärker (ggf. inkl. Signalquelle) oder ein Sinusfunktionsgenerator
mit Leistungsausgang kann natürlich auch an den Lautsprecher angeschlossen
werden.
•
Versuche zur Akustik: Unabhängig vom beschriebenen Experiment kann der Laut­
sprecher auch eingesetzt werden, um den Übergang von einer sichtbaren Sinus­
schwingung (wenige Hz, Verstärkerleistung fällt stark ab unter 2 Hz) zu einer hörba­
ren zu zeigen, indem langsam die Frequenz gesteigert wird, bis ein hörbarer Ton
entsteht.
•
Zweiter Lautsprecher – Erweiterung: Es ist möglich, an den Verstärker einen
zweiten Lautsprecher anzuschließen, da ein Kanal des Verstärkers bisher unge­
nutzt ist. Damit könnten zwei Gruppen gleichzeitig experimentieren. Es müsste
dazu ein zweiter Lautsprecher, eine leere Keksdose und ein weiteres Cinch­Klinke­
Adapterkabel angeschafft werden. Ein Adapterkabel geht mit einem Cinchstecker
auf Links (Eingang Verstärker), der zweite Cinchstecker wird nicht angeschlossen,
und das zweite Adapterkabel geht mit einem Cinchstecker auf rechts. Ebenso wird
der zweite Cinchstecker nicht angeschlossen.
•
'Reibungslos-Pulver': Das Glasperlengra­
nulat besteht aus kleinen kugelförmigen
Glasperlen. Wenn es auf eine harte, glatte
Fläche aufgebracht wird (z. B. beschichtete
Tischplatte, Glas(­tisch), Metallplatte, etc.)
dann vermindert es die Reibung enorm –
vergleichbar zu einer Luftkissenbahn (nur
fast geräuschlos). Besonders Gegenstände
mit einer harten Seite eignen sich dafür
(z. B. Petrischalen oder Metallklötze). Es
reicht bereits eine kleine Prise um den Ef­
fekt zu erreichen.
Mikroskopische Aufnahme des Glasperlen­
granulats – kaum Abweichungen von der
Kugelform
www.niliphex.de
aktuelle Dokumentation und weitere Materialien
5/7
Experiment 11: Strukturbildung auf schwingender Platte
Zusammenhang mit
➔ Experiment 10: Zwei­Kammer­Rüttler – Viele sammeln sich bei Vielen
Fachlicher Hintergrund
• Die Bildung der 'Hügel' in A und B ist
vergleichbar mit dem Verhalten in Ex­
periment 10: Zwei­Kammer­Rüttler –
Viele sammeln sich bei Vielen. Wo
viele Glasgranulatperlen sind, verrin­
gert sich die Sprungweite der einzel­
nen Perlen. Auf der schwingenden
Platte passiert nun Folgendes: Glas­
perlen, die kaum weitere Perlen in ih­
rer Umgebung haben, können weiter
springen und bewegen sich schnell,
bis sie in einer Anhäufung landen, wo
sie dann verlangsamt werden. Einzel­
ne Glasperlen verlassen diese Anhäu­
fung auch wieder, aber sie werden
schnell wieder in einer neuen Anhäu­
fung 'gefangen'. Folglich entstehen
Strukturen mit hügelartigen Anhäufun­
gen.
•
Berge türmen sich auf.
Granulat verteilt sich in die Zwischenräume.
Die netzartige Zellenstruktur aus B
Neue Berge in den alten Zwischenräume türmen
und C (s.o.) hat eine Besonderheit:
sich auf.
Sie wechselt binär zwischen zwei ähn­
——————————————————
lichen Strukturen. Dies kann wie folgt
erklärt werden: Bei der Schwingung
bildet sich ein Berg – dieser verhält
sich ähnlich wie ein Wasserbecken,
dass in Schwingung versetzt wird. Es
bildet sich eine Spitze. Von dieser
Spitze verteilt sich das Granulat umlie­
gend und zwar genau in die Zwi­ Alle Teilbilder zur Verdeutlichung, wie die netzarti­
ge Struktur entsteht, übereinander gelegt.
schenräume zwischen den Bergen.
Dadurch bilden sich neue Berge in
den alten Zwischenräumen, weil dort das gesamte Material zusammengetroffen ist.
Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch.
Lagerhinweise / Instandhaltung
• Steckverbindungen am Verstärker nicht lösen: Die Steckkabel am Verstärker
CT­C.2 sollten nicht regelmäßig gelöst werden, weil die Steckverbindungen nicht
darauf ausgelegt sind und so ein Defekt entstehen könnte.
•
Steckschuhe am Lautsprecher nicht lösen: Die Steckverbindungen am Laut­
sprecher sind ebenfalls nicht auf regelmäßiges An­ und Abstecken ausgelegt und
sollten verbunden bleiben um einem Defekt (Bruch an der Steckverbindung) vorzu­
beugen.
www.niliphex.de
aktuelle Dokumentation und weitere Materialien
6/7
Experiment 11: Strukturbildung auf schwingender Platte
•
Wenn das Haftpad nicht mehr haftet, kann es wieder instandgesetzt werden, in­
dem es mit Wasser abgewaschen wird. Es kann auch Seife genutzt werden, aber
am Ende muss das Haftpad gründlich abgespült werden. Danach muss das Haft­
pad trocknen, um wieder gut zu haften.
•
Wegräumen: Der Lautsprecher lässt sich gut zusammen mit dem verkabelten Ver­
stärker in einer der grünen Kisten verstauen. Die Haftpads sollten nicht in der Son­
ne gelagert werden, da sie nur begrenzt UV­beständig sind und bei zu großer Hitze
ihr Eigenschaften verändern können.
Weiteres Material auf: www.niliphex.de
Anmerkungen
Sie haben weitere Ideen? Etwas ist Ihnen unklar? Ihnen ist etwas aufgefallen?
Melden Sie es zurück an joachim.haupt@fu­berlin.de oder via www.niliphex.de
Entwickelt von
Entwickelt von
von NiliPhEx: – CC0 1.0––CC0
gemeinfrei
/ bedingungslos
Lizenz derLizenz
Inhalteder
vonInhalte
NiliPhEx:
1.0 – gemeinfrei
/ bedingungslos
www.niliphex.de
aktuelle Dokumentation und weitere Materialien
7/7