Die Knallgaszelle - ein Schulversuch

[Xyrofl]

Ohne Röhre ist er aber auch nicht mehr gepresst das ist unfair. Und ja, du hattest trotzdem Recht, habs im Spektrum gesehen, die Röhrenlänge ist entscheidend.


Die Nebenbanden ignorieren, das kommt glaube ich vom Kazachok, der nebenbei läuft, ist aber auch egal.

[eule]

das hier wird ein wenig helfen, denke ich. Das RG verhält sich ein wenig wie ein Helmholtz-Resonator und die Verbrennung läuft unter dem Einfluß der akustischen Schwingung ab.
Wie wirksam solche akustischen Schwingungen mit den thermischen Bedingungen verknüpft sind läßt sich leicht z.B. am thermoakustischen Motor gut erkennen.

[Newclears]

In dem Video wird gegen Ende eigentlich alles gesagt:
"...There are whole PhDs in some of this videos I think..."

Ein hochinteressantes Thema.
Es gab mal in irgendeiner "Bublath- Sendung" einen Versuch mit nem aufgewickelten Schlauch und einem Brennbaren Gasgemisch wo sich aus einem langsamen Abbrand eine Detonation aufgrund von Resonanz entwickelte.

[Xyrofl]

@Eule: Warum machst du es dir denn so schwer? Helmholtz-Resonatoren sind ein viel zu allgemeiner Fall, das Reagenzglas ist doch ziemlich eindeutig ein Zylinder, also nutzen wir diesen Spezialfall und nehmen es als Viertelwellenresonator hin. Dann kann man mit nem Taschenrechner im Nu die Eigenfrequenzen berechnen.

Wenn wir uns das hier ansehen, dann sehen wir auch, wie die Wellenlänge mit der Länge des Zylinder zusammenhängt.




Hier sehen wir, dass die Frequenz während des ganzen "whoof" über praktisch konstant ist. Zumindest eine leicht Frequenzzunahme und Instabilität müsste man schon alleine deswegen vermuten, weil die Gassäule ihre Temperatur ändert.
Würden aber Stoßwellen zwischen Reaktionsfront und Boden hin und her laufen, müssten wir einen gekrümmten Anstieg der Frequenz sehen, der aber überhaupt nicht beobachtet wird.

Vielleicht sollte ich, nachdem ich alle Beschriftungen abgeschnitten habe mal erklären, wie diese Spektren zu verstehen sind. Von oben nach unten läuft die Zeit-Achse und die neueren Samples sind oben. Die Frequenz läuft auf linearer Skala von links nach rechts, also das schwächere Ding, was früher verebbt, ist der erste Oberton, die intensivere Bande ist der Grundton. Helligkeit ist gleichbedeutend mit Intensität.

Also mit andere Worten, es ist einfach ein unsauberer Ton, der kurz ertönt und seine Frequenz kaum ändert. Bei Heulern ist das anders, die werden immer tiefer. Wenn jemand musikalischer ist als ich (leider keine schwere Aufgabe), dann wird er das wohl auch gehört haben.

Das gleiche sieht man bei meinen Truthahn, der schwingt auch nicht pro Puls zwischen den Frequenzen umher, sondern bleibt auf seiner unsauberen Frequenzbande stehen, selbst wenn man den Sauerstoff aufdreht und somit die Zahl der Pulse und die Obertonanteile usw. erhöht, ändert sich kaum etwas. Das was sich ändert wird wahrscheinlich mit der Änderung der Gastemperatur im Rohr zusammenhängen. Aber ihr könnt damit wahrscheinlich nicht viel anfangen, weil ich versäumt habe, den Versuchsaufbau zu fotografieren.

[eule]

@Newclears, meinst die Sache mit dem Gartenschlauch voller Ätherdampf bei Knoffhoff? Da sah man richtig schön die Flammenfront durch den Schlauch wandern.

@Xyrofl, hmm ich mache es mir nicht schwer, ich bin einfach so, aber vllt hast du ja recht und es ist einfach nur ein Rauschen, dessen hörbare Tonhöhe vom Gefäßvolumen bestimmt ist. Andererseits stehen mir Rijke-Rohr, die zeitaufgelösten Aufnahmen des bellenden Hundes, das mehrsekündige durchdringende Pfeifen einer mit Feuerzeuggas gefüllten Getränkedose und ein paar mehr Beispiele vor dem geistigen Auge, die mir sämtlichst zubrüllen "Resonanz" und auch wenn der Ton extrem unsauber ist, wohl da keine Kante mit Wirbeln sondern eine höchst turbulente Fläche als Grenzschicht den Ton erzeugt ist Resonanz die Grenzbedingung, das für die Tonhöhe (hier ist nebenbei bemerkt nicht Frequenz sondern Wellenlänge gefragt/gesucht) entscheidende Moment. Hast du vllt auch solche schönen Sprektren in zeitlich höherer Auflösung und am Besten nicht nach Frequenz sondern Wellenlänge? Ich meine in dem Spektrum nämlich durchaus eine zeitliche Veränderung zu erkennen. von lang- zu kurzwellig im Zeitverlauf gestört vor Allem durch die ungleichhohe Flamme während des Abbrennens.

[Xyrofl]

aber vllt hast du ja recht und es ist einfach nur ein Rauschen, dessen hörbare Tonhöhe vom Gefäßvolumen bestimmt ist.

Narf. Das war nicht das, was ich meinte, natürlich rede ich von Resonanz. Du brauchst aber einfach nicht von einem Helmholtz-Resonator auszugehen, wenn das ein simpler Zylinder ist. Bei einer Flasche wäre das vertretbar, aber ein Zylinder ist ein Viertelwellenresonator wenn er auf einer Seite zu ist und sonst ein Halbwellenresonator. Resoniert natürlich auch, aber die Frequenzen sind viel einfach zu berechnen. Es ist einfach die Wellenlänge das Vierfache der Rohrlänge, aber die steigende Temperatur macht die Schallgeschwindigkeit größer, was dazu führt, dass das Rohr effektiv gesehen kürzer wirkt.

Hast du vllt auch solche schönen Sprektren in zeitlich höherer Auflösung und am Besten nicht nach Frequenz sondern Wellenlänge?

Wieso nach Wellenlänge auflösen? Die Wellenlänge ist doch direkt über die Schallgeschwindigkeit mit der Frequenz verknüft. Die Schallgeschwindigkeit ändert sich aber in dem Rohr wegen der unterschiedlichen Temperatur und das was nen Mikrofon misst ist nunmal die Frequenz.
Zeitlich höhere Auflösung geht leider zu Lasten der Frequenz-Auflösung, dann sieht man nur noch Pudding oder man hat jede Menge Überlapp, das bringt auch nichts. Eine gewisse Frequenzerhöhung, insbesondere am Anfang macht aber durchaus Sinn, weil die Temperatur sich ja erhöht.

Der zweite hiervon:



Wir sehen ganz eindeutig, dass am Anfang die Frequenz rapide steigt und danach stehen bleibt. Würde die Resonanz zwischen Flammfront und Boden stattfinden, müsste insbesondere am Ende sich die Frequenz ändern und da gegen Unendlich streben. Tut sie aber nicht.
Mehrere Töne nah beieinander sollten nach meinem Verständnis für ein Tremolo stehen, während eine einfache breite Bande für einen einzelnen kurzen ton steht.

[eule]

sorry, aber da liegst du deutlich daneben. hast du dir die Beispiele nicht nur angesehen sondern auch angehört? der hörbare Ton steigt nicht am Beginn an, sondern vor allem am Ende. Hör dir das nochmal ohne die Filter der Voreingenommenheit an und dann erzähl mir nochmal, daß die Tonhöhe am Anfang ansteigt. Solltest du das wirklich so hören empfehle ich den Gang zum Hörgeräteladen, um eine Messung des Hörvermögens vorzunehmen.

Die Aufschlüsselung nach Wellenlänge schlug ich nicht grundlos vor. Da die Höhe der Gassäule im unmittelbaren Zusammenhang mit der jeweiligen akustischen Resonanz steht, die Flamme zeigt die akustisch wie eine Membran wirkende Phasengrenze zur Luft sehr schön an, wird die Tonerzeugung durch den stetigen Abbau der schwingenden Gassäule zu immer kürzeren Wellenlängen verschoben.
Beim Luftheuler geschieht das genau umgekehrte, der Resonanzraum wird größer/länger, sodaß die Tonhöhe sinkt.

[lemmi]

Hmmm, ich habe mir die Beispiele auch angehört. Ich finde daß man ein huuiiiiiiiiiiiiiiii hört, d.h. die Tonhöhe steigt zu Anfang, und nicht am Ende der Reaktion. Davon mal abgesehen - wieso sollte eine Verbrennungsfront als akustische Membran wirken? Es schwingt doch die ganze Gassäule, vor und hinter der Front, oder? Beim Luftheuler ist es natürlich anders: durch den Abbrand des Satzes wird die Gassäule, die schwingt immer länger, und der Ton wird tiefer.

Mit diesen Phänomenen verwandt ist ja die chemische Harmonika, bei der eine Luftsäule in einem bds. offenen Glasrohr ins Schwingen gerät, wenn man das Rohr über eine brennende Wasserstofflamme stülpt. Wie kommt es zu diesem Effekt?

[eule]

Das Rijke-Rohr, auch bekannt als chemische Harmonika findet sich mit Erklärung und weiterführenden Links unter http://www.wundersamessammelsurium.info ... index.html

btw, ok, ihr habt recht. Nachdem ich mehrere dieser Dinger quer durchs Internet gesehen, sowohl realtime wie slomo, einige der Tonspuren in 10ms-Schritten und deren Spektren aufgelöst durchgegangen bin gebe ich mich geschlagen und sehe ein, daß meine Vorstellung daneben lag, nicht die von @Xyrofl.
]Hier ist übrigens noch eine schöne Version incl Erläuterung zum bellenden Hund.

mich verbeugend,

die eule

[Xyrofl]

Es schwingt doch die ganze Gassäule, vor und hinter der Front, oder?

Davon war ich zumindest ausgegangen. Ich kann mir nicht vorstellen, wie es anders sein sollte.

Mit diesen Phänomenen verwandt ist ja die chemische Harmonika, bei der eine Luftsäule in einem bds. offenen Glasrohr ins Schwingen gerät, wenn man das Rohr über eine brennende Wasserstofflamme stülpt. Wie kommt es zu diesem Effekt?

Dafür gibt es einen eigenen Namen? Ist ja lustig. Während das Rijke-Rohr thermoakustisch ist, ist dies nach meiner Ansicht chemoakustisch, d.h. die chemische Reaktion und der Ton sind gekoppelt (Wärme natürlich auch).
Man muss sich das so vorstellen, dass eine einatmende Welle Luft in das Rohr saugt und somit die Verbrennung fördert, eine ausatmende Welle aber bläst verbranntes Knallgas in die Flamme und schwächt sie somit. Die Wirkung des Einatmens muss Druckanstieg sein, die Wirkung des Ausatmens Druckverlust, damit die Schwingung verstärkt wird. Man sieht also schnell ein, dass die Antwort der Flamme die Schwingung versträrkt. Wenn man den Sauerstoff aufdreht, dann geht der Ton irgendwann aus, denn dann funktioniert dieses chemoakustische Wirkung nicht mehr. Thermoakustisch oder über Berücksichtigung des Drucks kann da dann noch was gehen, aber das scheint zu schwach, Drahtnetze sind da offensichtlich viel effizienter.
Mit großen Stahlrohren und nem Propan-Luft-Gasbrenner klingt das wie ein Dinosaurier, das ist episch. Damit hab ich schon öfters die Nachbarn verblüfft, die einfach nicht verstehen können, was das für ein widernatürlicher Lärm ist. Bei gleicher Größe ist es aber viel schwächer als der Propan-Sauerstoff-Truthahn oder der bellende Hund.

Solltest du das wirklich so hören empfehle ich den Gang zum Hörgeräteladen, um eine Messung des Hörvermögens vorzunehmen.

Hahaha °o° Habe ich nicht gesagt, dass ich musikalisch ne Niete bin? Ich habe doch geschrieben, dass ich das nicht beurteilen kann, was von beidem ich da höre xDD Wenn das jetzt doch richtig war, dann lobe Herrn Fourier, aber nicht mein Gehör. Oder nenns Zufall.

[lemmi]

@Eule und Xyrofl: danke für eure antworten und die schönen Links! Die Zeitlupenaufnahmen des "bellenden Hundes" sind sehr beeindruckend! Das Experiment mit dem Bellenden Hund via Phosphorlösung auf einem Standzylinder kannte ich noch nicht. Der Effekt kommt vermutlich dadurch zustande, daß, bevor sich der Phosphor entzündet, etwas Schwefelkohlenstoff nach unten in den Zylinder hinein verdampft und ein CS2-Luft-Gemisch entsteht, das dann durch die Reaktion entzündet wird.

[Final Destillation]

Weiß nich, was bis jetzt alles dazu gesagt wurde, aber ich finde die Vorgehensweise und die Grundüberlegung das, was viele Schüler als Motivation bräuchten, um im Unterricht wieder mehr Interesse zu zeigen, egal in welchem Fach.

Wie immer - super Aktion!


MfG TC

[Quecksilberoxid rot]

Gut, dass du deiner Tochter erklärt hast das Knallgas nicht so schlimm ist. Hast du das Netzgerät von Conrad. Ich habe nämlich dasselbe.(Voltcraft)

[lemmi]

Hast du das Netzgerät von Conrad. Ich habe nämlich dasselbe.(Voltcraft)

So ist es.