Ursprunglig fråga: Jag har märkt på morgonen när man sitter med sin kopp choklad
och knackar i botten med sin sked att ljudet blir ljusare och
ljusare för varje knackning. Man kan göra ett uppehåll och
fortsätta en stund senare med ändå så tar det upp det ljusare ljud
man fixat tidigare och fortsätter på det. Men om man sedan knackar
i sidan på muggen så blir ljudet dovare och mycket mörkare. Varför?
/Pontus M, Ebersteinska skolan, Norrköping
Svar: Det var en intressant fråga Du kommer med! Vi tycker det är roligt när man som Du observerar intressanta saker som har fysikanknytning i vardagen.
Det är inte lätt att finna någon enkel förklaring till fenomenet. Men låt oss gå igenom tänkbara orsaker. När chokladen hälls i koppen så värms koppen upp. Testa om fenomenet är kvar även om Du väntar någon minut med att börja knacka.
Sedan kan det naturligtvis bero på ljudets utbredning genom choklad eller vägg innan det når luften. Kanske knackar Du bort ett lager chokladpulver på botten?
Det enda råd vi kan ge Dig är att fortsätta att knacka och systematiskt gå igenom olika tänkbara alternativ och fundera ut "knackstrategier" som särskiljer de olika alternativen. Lycka till!
Tillägg 13/9/2008:
Jag har utfört lite muggknackningsexperiment. Det är inte helt lätt att höra hur tonen ändras - man bör nog ha ett bra musiköra!
Vad är det som bestämmer vilken ton (frekvens) man hör? Jo, muggen har en egenfrekvens precis som en stämgaffel. När man slår på en stämgaffel får man alltid samma frekvens - den ton som stämgaffeln är tillverkad för. Muggen är inte lika optimerad för en frekvens som stämgaffeln, men den har en viss huvudfrekvens som dominerar.
När man fyller en mugg med varm vätska och omedelbart börjar slå på den med en sked, så hör man tydligt att frekvensen ökar. Detta beror säkert på att muggens elasticitetsegenskaper ändras med den ökande temperaturen. När muggen nått sin jämviktstemperatur blir frekvensen konstant.
Om man rör om vätskan med skeden och slår på muggen, finner man att frekvensen minskar något. Uppenbarligen påverkas egenfrekvensen av att vattnet roterar. Det är emellertid inte klart varför frekvensen minskar. Kanske kan man se det så att en stående våg som bildas i vattnet tvingas rotera och blir därmed utsträckt. Större våglängd motsvarar lägre frekvens.
Tillägg 7/12/2013:
I Hot_chocolate_effect och länk 1-2 ger man förklaringen att ljudhastigheten beror på hur mycket bubblor som finns i vätskan. Länk 2 är ett mycket omfattande arbete av Frank Crawford, Berkeley med sammanfattningen:
The "hot chocolate effect" was investigated quantitatively, using
water. If a tall glass cylinder is filled nearly completely with water and tapped on the bottom with a softened mallet one can detect the lowest longitudinal mode of the water column, for which the height of the water column is one quarter wavelength. If the cylinder is rapidly filled with hot tap water containing dissolved air the pitch of that mode may descend by nearly three octaves during the first few seconds as the air comes out of solution and forms bubbles. Then the pitch gradually
rises as the bubbles float to the top. A simple theoretical expression for the pitch ratio is derived and compared with experiment. The agreement is good to within the ten percent accuracy of the experiments.
Huvudmoden för ljudet är en kvarts våglängd. Våglängden l är konstant. Om ljudhastigheten v minskar så blir alltså även frekvensen f mindre (v=l*f). När det bildas bubblor sjunker alltså ljudhastigheten och därmed frekvensen. Bubblorna försvinner sedan efterhand (stiger till ytan), ljudhastigheten ökar och frekvensen ökar.
Eftersom det kan bildas bubblor på flera olika sätt är denna förklaring mycket generell.
