Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9

27Hoe geluid zich voortplant

De bliksemflits — dan één, twee, drie seconden stilte — en pas nu het gerommel van de donder. En toch zijn flits en gerommel samen in dezelfde wolk geboren! Geluid, zo leerden we, is een trilling die reist. Dit hoofdstuk volgt haar onderweg: waar ze doorheen reist, hoe snel ze loopt, en wat er gebeurt als ze tegen een muur botst.

27.1 Geluid heeft een drager nodig

Propositie 27.1 (Geen drager, geen geluid)

Geluid reist alleen door dingen heen: door lucht, door water, door hout, baksteen en staal. Waar helemaal niets is — geen lucht, geen stof van welke soort ook — kan geluid niet reizen: de trilling heeft niets om in te trillen.

Voorbeeld 27.2 (De bel in de stolp)

Een beroemde proef van drie eeuwen oud: een elektrische bel rinkelt onder een glazen stolp — duidelijk te horen. Een pomp zuigt daarna de lucht uit de afgesloten stolp, terwijl het hamertje van de bel zichtbaar doorslaat. Het rinkelen zwakt af… en sterft. Laat de lucht weer naar binnen stromen: het rinkelen komt terug. De bel is nooit gestopt — haar drager werd weggehaald en teruggegeven. En nu kun je een oude vraag beslechten: de stille Maan, waar een schreeuw ongehoord sterft, is stil doordat ze helemaal geen lucht heeft.

De bel in de stolp: haal de lucht weg, en het geluid — niet de bel — stopt.

Voorbeeld 27.3 (Betere dragers dan lucht)

Vaste stoffen en water dragen geluid prachtig — vaak beter dan lucht. Druk je oor plat op de tafel en laat een vriend aan het verre uiteinde heel zachtjes krabben: door de lucht hoor je niets, door het hout klinkt het krabben luid en helder. Zwemmers horen het gekletter onder water van het ene eind van het bad tot het andere; walvissen zingen naar elkaar over hele zeeën. En dikke muren dragen het boren van de buren elke kamer in — vaste stoffen zijn hier bijna te goed in.

Methode 27.4 (De bekertelefoon)

Prik een klein gaatje in de bodem van twee papieren bekertjes;
rijg de uiteinden van een lang touwtje erin en knoop ze vast zodat ze er niet uit kunnen glippen;
loop uit elkaar tot het touwtje strak gespannen staat en onderweg niets raakt;
de een praat zachtjes in zijn bekertje; de ander houdt het zijne tegen zijn oor.

De fluistering komt helder aan de overkant van het schoolplein aan: jouw stem laat het bekertje trillen, de trilling loopt langs het strakke touwtje, en het bekertje aan de andere kant speelt haar opnieuw af. Laat het touwtje doorhangen of knijp het tussen twee vingers, en de telefoon sterft — de weg is afgesneden.

De bekertelefoon, gespannen en strak: een strak touwtje draagt de trilling van bekertje naar bekertje veel beter dan de lucht tussen twee fluisteraars.

27.2 Geluid kost tijd

Propositie 27.5 (Snel, maar niet ogenblikkelijk)

Geluid is een hardloper, geen tovenaar: in lucht legt het per seconde ongeveer $340\,\mathrm{m}$ af — drie seconden voor ruwweg een kilometer. Licht komt daarentegen zo snel aan dat zijn reis bij elk tafereel dat je kunt bekijken als ogenblikkelijk telt. Dat verschil is het hele verhaal van het onweer.

Methode 27.6 (Hoe ver is het onweer?)

Zie de flits — begin gelijkmatig seconden te tellen: eenentwintig, tweeëntwintig, …;
stop bij het eerste gerommel van de donder;
deel je telling door $3$ : dat is ruwweg de afstand van het onweer in kilometers.

Zes seconden: ongeveer $2\,\mathrm{km}$ . Worden de tellingen tussen de inslagen korter, dan komt het onweer dichterbij — tijd om naar binnen te gaan.

Nu de flits, later de donder: licht komt meteen aan, geluid sjokt met 340\, m per seconde over. De stille seconden meten de afstand. — Nu de flits, later de donder: licht komt meteen aan, geluid sjokt met $340\,\mathrm{m}$ per seconde over. De stille seconden meten de afstand.

Voorbeeld 27.7 (Echo’s)

Schreeuw naar een grote rotswand of een eenzaam gebouw ver over een veld: “HALLO!” — een ogenblik stilte — “Hallo!” antwoordt je eigen stem. Geluid kaatst terug van grote harde wanden, en een teruggekaatst geluid dat laat genoeg bij je terugkomt om het apart te horen, is een echo. Hoe verder de wand, hoe langer de rondreis van je stem, hoe later de echo. In een kleine kamer komt de kaats te snel terug om apart te horen — ze maakt je stem alleen voller.

Opmerking 27.8 (Sonar: de echo aan het werk)

Schepen meten de diepte van de zee door naar beneden te schreeuwen — een klik het water in — en de echo van de bodem te klokken. Diep water, late echo; ondiep water, snelle echo. Dolfijnen en vleermuizen kennen de truc van geboorte af: ze klikken en luisteren, en lezen de echo’s om te jagen in donker water en pikzwarte grotten. Door de donderseconden te tellen heb je hun methode al gebruikt: klok het geluid, en je kent de afstand.

27.3 Oefeningen

Oefening 27.1 ★

Noem drie dragers van geluid uit dit hoofdstuk, en één plek waar geluid helemaal niet kan reizen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.1.

Dragers: lucht, water, vaste stoffen (hout, baksteen, staal, een strak touwtje). Helemaal geen drager: lege ruimte — zoals de luchtloze Maan, of de leeggepompte stolp.

Oefening 27.2 ★

In de proef met de stolp blijft het hamertje van de bel slaan terwijl het rinkelen sterft. Wat is er precies weggehaald, en wat bewijst dat?

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.2.

De lucht — de drager van het geluid — is weggepompt. De trillende bel had niets meer om in te trillen, wat bewijst dat geluid alleen door stof reist en nooit door niets.

Oefening 27.3 ★

Waarom is de Maan een stille wereld? Antwoord met de propositie van dit hoofdstuk.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.3.

Geen drager, geen geluid: de Maan heeft geen lucht, dus heeft de trilling van een schreeuw niets om doorheen te reizen — ze sterft bij de lippen.

Oefening 27.4 ★

Wat draagt bij de bekertelefoon de fluistering? Geef beide regels om de telefoon werkend te houden.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.4.

Het strakke touwtje draagt haar: de stem schudt het bekertje, het bekertje schudt het touwtje, en het touwtje speelt haar opnieuw af in het verre bekertje. Regels: houd het touwtje strak gespannen, en laat het niets raken (niet doorhangen, geen knijpende vingers).

Oefening 27.5 ★

Hoe ver reist geluid ongeveer door lucht in één seconde? In drie seconden?

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.5.

Ongeveer $340\,\mathrm{m}$ in één seconde — ruwweg een kilometer in drie.

Oefening 27.6 ★

Je telt negen seconden tussen flits en donder. Hoe ver is het onweer? Je vriend telt bij de volgende inslag maar drie seconden — wat is er veranderd, en wat moeten jullie doen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.6.

$9 \div 3 = 3$ : ongeveer $3\,\mathrm{km}$ ver. Drie seconden later betekent ongeveer $1\,\mathrm{km}$ : het onweer is veel dichterbij gekomen — naar binnen gaan.

Oefening 27.7 ★

Waarom hoor je met je oor tegen de tafel een krabbeltje dat de lucht nooit heeft bezorgd?

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.7.

Het hout is een veel betere drager dan lucht: het zwakke krabbeltje is te zwak voor de lucht om het over de tafel te bezorgen, maar het vaste tafelblad draagt de trilling luid en helder rechtstreeks je oor in.

Oefening 27.8 ★

Wat is een echo? Waarom antwoordt een grotere, verder gelegen rotswand later dan een nabije?

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.8.

Een echo is je eigen geluid dat van een grote harde wand terugkaatst en laat genoeg terugkomt om het apart te horen. Een verdere rotswand betekent een langere rondreis voor het geluid, dus komt het antwoord later.

Oefening 27.9 ★

Hoe onderscheidt de sonar van een schip diep water van ondiep water? Welke twee dieren spelen hetzelfde spel, en waar?

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.9.

Het schip klikt naar beneden en klokt de echo van de zeebodem: snelle echo, ondiep water; late echo, diep water. Dolfijnen doen het in donker water, vleermuizen in pikzwarte grotten.

Oefening 27.10 ★★

In oude westerns drukken verkenners hun oor op de stalen rails om een nog verre trein op te vangen. Waarom verraadt de rail de trein lang voordat de lucht dat doet? Geef beide voordelen die de rail het geluid biedt. (Het ene gaat over goed dragen; denk voor het andere eraan dat de rail recht naar de trein loopt, terwijl geluid in lucht zich in alle richtingen uitspreidt als kringen in een vijver, en onderweg verdunt.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.10.

Ten eerste draagt staal geluid veel beter dan lucht, zodat het gerommel de lange reis overleeft. Ten tweede leidt de rail het geluid recht langs één weg naar het oor van de verkenner, terwijl in de open lucht het lawaai van de trein zich in alle richtingen uitspreidt als kringen in een vijver en met elke meter verdunt — dus komt de boodschap van de rail zowel sterker als helderder aan, lang vóór die van de lucht.

Oefening 27.11 ★★

Je staat op een grote lege binnenplaats, klapt één keer in je handen en hoort de klap van je eigen handen na precies één seconde terugkomen van de verre muur. Het geluid liep in die seconde naar de muur en terug. Hoe ver staat de muur — let op, denk aan de rondreis!

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.11.

In één seconde legt geluid ongeveer $340\,\mathrm{m}$ af — maar die seconde betaalde de heenweg en de terugweg. De muur staat op de helft: ongeveer $170\,\mathrm{m}$ ver.