Material
- 2 gleiche, dünnwandige Trinkgläser, z.B. Cognacschwenker oder Weingläser
- dünnes Drahtstück oder einen Zahnstocher
Ein dünnwandiges Trinkglas wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Man reibt mit einem befeuchteten Finger unter leichtem Druck über den Rand des Glases (siehe Bild). Dadurch entsteht ein deutlich hörbarer Ton. Variiert man die Wassermenge im Glas, so ändert sich die Tonhöhe. Je mehr Wasser im Glas ist, um so tiefer wird der Ton. Füllt man das Glas vollständig mit Wasser und reibt mit dem Finger über den Glasrand, so kräuselt sich die Wasseroberfläche und es bilden sich Wellen.
Ein zweites Trinkglas wird einige Zentimeter neben das erste Glas gestellt und mit Wasser gefüllt, so dass der Wasserstand in beiden Gläsern gleich ist. Reibt man mit dem Finger über den Rand der Gläser, so sollten gleich hohe Töne zu hören sein. Auch bei gleichen Gläsern ist es meist nötig, die Gläser durch Variieren des Wasserstandes auf die gleiche Tonhöhe zu stimmen. Dann legt man auf eines der Gläser ein dünnes Drahtstück und reibt über den Rand des anderen Glases (siehe Bild).
Sobald das eine Glas ertönt, beginnt beim anderen Glas das Drahtstück zu vibrieren und bewegt sich auf dem Glasrand. Gibt man in eines der Gläser etwas Wasser hinzu, bleibt der Draht dagegen ruhig liegen.
Fährt man mit dem Finger unter leichtem Druck über den Glasrand, so wird das Glas in Schwingung versetzt. Die Anregung erfolgt dabei wie in dem Experiment „Stehende Wellen auf Kaffee“ durch einen periodischen Wechsel von Haft- und Gleitreibung. Die vom Finger aufgewandte Kraft läßt sich in zwei Komponenten aufteilen: eine Kraftkomponente, die den Finger auf das Glas drückt, und eine für die Vorwärtsbewegung des Fingers. Die Bewegung des Fingers ist dabei nur makroskopisch gesehen gleichmäßig. Durch den Druck auf den Glasrand haftet die Haut des Fingers am Glas. Durch die gleichzeitige Vorwärtsbewegung wird der Finger deformiert. Ist die Kraft der Vorwärtsbewegung des Fingers dem Betrage nach größer als die Haftreibung, die den Finger am Glas hält, löst sich die am Glas haftende Haut und der Finger bewegt sich vorwärts. Die Deformation des Fingers bildet sich dabei so schnell zurück, daß kurzzeitig die vom Finger auf den Glasrand ausgeübte Kraft abnimmt. Ist sie betragsmäßig kleiner als die Haftreibungskraft, haftet die Haut des Fingers wieder am Glas und der Vorgang beginnt erneut.
Das Glas wird durch diesen periodischen Wechsel von Haft- und Gleitreibung in Schwingung versetzt. Aus dem Frequenzspektrum der angeregten Schwingungen wird nur diejenige unterstützt, die einer Eigenfrequenz des Glases entspricht. Durch Zugabe von Wasser in das Glas ändert sich dessen Eigenfrequenz. Dadurch läßt sich die Tonhöhe verändern. Je mehr Wasser sich im Glas befindet, um so niedriger ist die Frequenz, mit der das Glas schwingt. Diese Schwingung des Glases überträgt sich auf die Luft und ist als Ton hörbar. Die Schwingung des Glases sieht man auch an den Wellen, die sich bei einem vollständig gefüllten Glas auf der Wasseroberfläche bilden.
Bei zwei Gläsern werden die Schallwellen, die von einem Glas ausgehen, durch die Luft auf das andere Glas übertragen. Da beide Gläser auf die gleiche Tonhöhe gestimmt sind, ist die Frequenz, mit der das Glas mit dem Drahtstück durch die Schwingung des anderen Glases angeregt wird, gleich seiner Eigenfrequenz. Dadurch ergibt sich Resonanz und auch das Glas, über das nicht gerieben wird, wird in Schwingung versetzt. Dies erkennt man am Vibrieren des Drahtstücks. Ändert man die Eigenfrequenz eines Glases durch Zugabe von Wasser, liegt der Resonanzzustand nicht mehr vor, so dass keine merkliche Schwingungsanregung mehr erfolgt und das Drahtstück ruhig liegen bleibt.