Bewegende vloeistof

Toonhoogte bij bewegende vloeistof
De vraag
Je brengt met een lepeltje in een vol aardewerk kopje vloeistof (i.i.g. koffie) al roerend in
beweging en tikt vervolgens met het lepeltje op de bodem. Naarmate de vloeistof minder
snel gaat bewegen, verandert de geproduceerde toon. Namelijk van laag (wanneer de
vloeistof nog flink in beweging is) naar hoog (hoe minder beweging hoe hoger de toon).
Wat veroorzaakt deze verandering?
J. de Groot, Sauwerd
Het antwoord
Als je tegen het kopje tikt veroorzaak je een trilling die te horen is als een toon. De
toonhoogte hangt samen met de frequentie van de trilling. Het trillen van een kopje gaat
met specifieke frequenties, de eigenfrequenties, en die worden bepaald door de vorm en de
materiaaleigenschappen.
Een kristallen glas kan heel mooi in trilling gebracht worden. Een wijnglas met water is
daarom ideaal om mee te experimenteren omdat de toonhoogte zo duidelijk hoorbaar is.
Tikken tegen het glas of over de rand wrijven met een natte vinger geeft een even hoog
geluid, omdat in beide gevallen de toonhoogte samenhangt met de eigenfrequenties van
het glas. Ook de directe omgeving van het glas heeft invloed op de vibratie. Doe je water (of
een andere vloeistof) in het glas, dan moeten glas én water in trilling gebracht worden om
een toon te genereren. De extra energie die nodig is om ook het water te laten trillen, zorgt
ervoor dat de toonhoogte lager wordt. Hoe meer water in het glas, hoe lager de toon.
Het feit dat de vloeistof ronddraait heeft eigenlijk maar een miniem effect op de
toonhoogte. Veel belangrijker is de vorm van het contactoppervlak tussen water en glas.
Dat dit een groot effect heeft op de toonhoogte kun je heel makkelijk demonstreren door
een halfvol (kristallen) wijnglas in resonantie te brengen met je vinger. Wanneer je het glas
langzaam schuin houdt, ontstaat er een duidelijk hoorbaar toonhoogteverschil. Tijdens dit
experiment houd je de vorm van het glas en de totale massa van het water constant en
verander je dus alleen de vorm van het wateroppervlak. Conclusie: hoe schuiner het glas,
hoe groter het contactoppervlak (oftewel hoe meer water in contact is met het glas) en hoe
lager de toon.
Het antwoord op de vraag is daarom: ronddraaiende vloeistof wordt tegen de wanden van
het glas omhoog gestuwd en heeft zo een groter contactoppervlak met het glas, dan
wanneer de vloeistof stilstaat. Dit zorgt voor een verlaging in de frequentie waarmee het
glas trilt en dat is hoorbaar in de toonhoogte als een lagere toon.
Met vriendelijke groet,
J.J. van den Berg, PhD Nanoscience
Rijksuniversiteit Groningen

Download Report