Vibraflame: Sound vs. Fire
In diesen Artikel wird das Projekt "Vibraflame" von Miron Goldstein und Emil Petrow Präsentiert. Wir haben im Schuljahr 2024/25 das GYPT Projekt 12 "Sound vs. Fire". Bearbeitet.
Link bis ende 2025: Sound vs. Fire
Thema
Eine kleine Flamme kann durch Schall gelöscht werden. Untersuchen Sie die Parameter der Flamme sowie die Eigenschaften des Schalls, die darüber entscheiden, ob die Flamme gelöscht wird. Diese Leitfrage begleitete uns durch das Schuljahr.
Während des Jahres haben wir jedoch auch viel gelernt. So haben wir zum Beispiel erforscht, wie der Lautsprecher die Kerze auspustet. Dies passiert dadurch, dass die Flamme durch den Ton in Schwingung gerät. Dabei pendelt die Kerze immer stärker (mit größer werdenden Entfernungen) um den Docht herum. Ab einem bestimmten Zeitpunkt ist die Kerze jedoch so weit vom Docht entfernt, dass die Brennstoffzufuhr zu lange wegbleibt. Somit geht die Kerze aus. Außerdem haben wir gelernt, dass schon kleinste Änderungen am Versuchsaufbau die Ergebnisse stark veränderten. Somit schafften wir es leider nicht, unsere Ergebnisse reproduzierbar zu machen.
Theorie
Eine Kerze brennt durch einen kombinierten physikalisch-chemischen Prozess. Beim Anzünden wird der Docht, der in der Regel aus Baumwolle besteht, durch die Flamme erhitzt. Die Hitze schmilzt das feste Wachs, welches meist aus Paraffin oder Stearin besteht. Dieses flüssige Wachs steigt aufgrund der Kapillarwirkung im Docht nach oben. Am oberen Ende des Dochtes wird das flüssige Wachs durch die hohe Temperatur in Wachsdampf umgewandelt. Dieser gasförmige Brennstoff reagiert dann mit Sauerstoff aus der umgebenden Luft. Der chemische Verbrennungsprozess setzt Energie frei, die als Wärme und Licht wahrgenommen wird. Innerhalb der Flamme werden Kohlenstoffpartikel sehr stark erhitzt. Sie erzeugen das charakteristische gelbliche Licht der Kerze. Ein Lautsprecher emittiert Schallwellen. Diese bringen die Luftteilchen zum Schwingen. Außerdem beginnt die Kerze zu schwingen. Durch die Teilchenbewegung wird die benötigte Brennstoffzufuhr, die die Flamme zum Brennen braucht nicht mehr gegeben, da die Flamme vom Docht wegbewegt wird. Sobald der Brennstoff weg ist, wird der Kreis gebrochen, der eine Kerze am Brennen hält. In Abbildung 1 sieht man, wie die brennende Flamme vom Lautsprecher wegbewegt wird. Sobald die Flamme vollständig vom Docht entfernt ist, erlischt die Flamme (innerhalb von ein paar Millisekunden) und die Kerze geht aus. Dies funktioniert nur unter gewissen Bedingungen, die wir teilweise herausgefunden haben.
Aufbau
Unser Aufbau ist in drei Teilen seit Beginn unserer Forschungen identisch aufgebaut. Dies ist einerseits die Kerze. Wir wollten diese eigentlich auch variieren, um den Einfluss der Zusammensetzung zu testen, doch dies haben wir nicht geschafft. Außerdem haben wir unseren Frequenzgenerator seit Beginn nicht verändert. Bei diesem handelt es sich um ein Handy. Dabei nutzen wir die App "Phyphox". Das Handy hat den großen Vorteil, dass es sehr einfach zu transportieren ist. Jedoch haben wir auch einiges an unserem Aufbau verändert und verbessert. Der dritte durchgehende Bestandteil ist der Verstärker. Dieser hatte zwei große Vorteile. Einerseits konnten wir damit verschiedene Lautsprecher ohne großen Aufwand nutzen. Andererseits hatte er den großen Vorteil, dass man durch den Verstärker die Lautstärke deutlich genauer einstellen zu können. Dies hatte den großen Vorteil, dass wir vergleichbare Werte bei Frequenzen erzeugen konnten.
Jedoch haben wir auch über das Jahr einiges am Versuch verändert. So zum Beispiel den Lautsprecher. Zu Beginn des Jahres haben wir mit einem Lautsprecher begonnen, welcher offen war. Da wir mit dem Schwierigkeiten hatten, das Experiment erfolgreich und wiederholbar durchzuführen, wechselten wir zu einem größeren Lautsprecher mit mehr Power. Dieser wies jedoch vor allem zwei große Probleme auf. Einerseits konnten wir die Lautstärke nur schlecht einstellen. Dies lag daran, dass wir den Lautsprecher mit Mischpult benutzt hatten, und sich damit keine wirkliche Konstanz entwickeln lies. Außerdem hatte er auch das Problem, dass die Kerze trotz Werten, bei denen der Versuch zuvor funktioniert hatte, nicht ausging. Diese Probleme lösten wir, indem wir uns einen Lautsprecher selbst bauten. Dieser besteht aus einem kleinem Lautsprecher und einer Dose. Dabei haben wir den Boden der Dose durch den Lautsprecher ersetzt. Außerdem haben wir den Deckel mit Karton so umfunktioniert, dass ein gerichteter Lautsprecher entsteht. Mit diesem Aufbau haben wir bis zum Ende des Jahres weitergearbeitet. Außerdem haben wir uns während des Jahres ein Dezibelmessgerät zugelegt. Zuvor haben wir ein Handy genutzt um die Lautstärke zu bestimmen. Jedoch wurden wir darauf hingewiesen, dass die Werte nicht realistisch seien. Außerdem konnten wir das eingebaute Mikrofon nicht kalibrieren, wodurch wir uns zu einem Dezibelmessgerät entschieden haben. Für einen Versuch haben wir ebenfalls eine Highspeedkamera der Schule genutzt. Da es dabei um die Anzahl an Fotos pro Sekunde geht, ist das genaue Modell irrelevant.
Daten
Fazit
Unser Projekt hat gezeigt, wie präzise Luftdruckänderungen, erzeugt durch die Schwingungen eines Lautsprechers, physikalische Effekte wie das Löschen einer Flamme hervorrufen können. Dabei haben wir nicht nur Einblicke in die Funktionsweise von Schall und dessen Wechselwirkung mit der Umgebung gewonnen, sondern auch gelernt, wie sensibel Experimente auf die kleinsten Änderungen reagieren. Der zuverlässige Aufbau und die Reproduzierbarkeit der Messungen stellten dabei eine zentrale Herausforderung dar. Was auch interessant war, war, dass ein gerichteter Lautsprecher eine viel größere Wirkung zeigte als eine Frequenzänderung und wir so auch auf höheren Frequenzen arbeiten können. Außerdem haben wir festgestellt, dass größer nicht immer besser bedeutet und dass ein kleiner Lautsprecher völlig ausreichend ist und eine große Box nicht genommen werden muss. Diese war beim Durchführen ebenfalls eher hinderlich als förderlich. Wir konnten einerseits feststellen, dass es einen genauen Wert gibt, bis zu dem man eine Kerze mit Schall löschen kann. Außerdem haben wir gelernt, dass die Dauer des Ausgehens nicht von der Frequenz abhängig ist und bei unserem phänomen kein wichtiger aspekt ist aktuell. Aus unserem dritten Versuch konnten wir herausfinden, dass das Verhältnis zwischen der oberen Frequenzgrenze und dem Schalldruckpegel sehr wahrscheinlich linear ist.
Erfolge
Während des Schuljahres haben wir beim Jugend-Forscht Wettbewerb erfolgreich teilgenommen und im Regionalwettbewerb Berlin-Mitte einen dritten Platz erreicht.
Quellen
https://www.youtube.com/watch?feature=shared&v=tX6XSs2T5Go
https://praxistipps.chip.de/kerze-online-anzuenden-das-steckt-dahinter_116201
https://www.gypt.org/aufgaben/12-sound-versus-fire.html
https://www1.wdr.de/radio/wdr2/themen/frag-doch-mal-die-maus/feuer-pusten-100.html
https://letstalkscience.ca/educational-resources/backgrounders/what-sound-and-how-do-we-hear-it
https://de.wikipedia.org/wiki/Schalldruckpegel
Danksagungen
Ein großes Dankeschön geht an Herrn Ebert. Ohne diesen wäre es nicht möglich gewesen, die Forschung durchzuführen. Außerdem half uns dieser, notwendige Materialien aus der Schule nutzen zu können. Er half uns ebenfalls, Geld zu bekommen, um Geräte wie das Dezibelmessgerät zu besorgen.
Ebenfalls danken wir Herrn Höfler. Dieser half uns vor allem am Anfang beim Nutzen des großen Lautsprechers. Außerdem beriet er uns bei Fragen.
Des Weiteren danken wir Lilly und anderen studentischen Hilfskräften, welche uns das ganze Jahr bei Fragen halfen und uns Hilfestellung gaben, als wir welche brauchten. Außerdem danken wir den anderen Kursteilnehmern. Diese halfen mit kritischen Fragen und teilweise auch seelisch.
