Restaurantphysik

das Thema gab es in diesem Forum schon mal
Wachsende Tonfrequenz nach dem Umrühren

die Frage dort kam ursprünglich von mir, da sie mich schon seit etwa 20 Jahren beschäftigt

hier hatte ich es auch aufgenommen, falls es jemand nicht kennt
https://www.youtube.com/watch?v=KMoMGoKYkEc

und hier noch mal zum Runterladen
http://www.atomcode.de/tmp/videos/Technik/cappuccino.avi (6.7MB)

- in diesem Fall ist kein Zucker dazu gekommen
- die Frequenzmodulation tritt unmittelbar mit dem Rühren auf und lässt nach dem Rühren wieder nach
- der Effekt ist beliebig reproduzierbar

- der TE schrieb "Während des Umrührens ändert sich die Tonhöhe der Geräusche die der Löffel verursacht. Es *fängt bei einer niedrigen Frequenz an* und *steigert sich dann* bis zu einem gewissen Punkt, welcher dann gleich bleibt.

hier ist es genau umgekehrt; den in diesem Thread beschriebenen Effekt kann ich zwar reproduzieren, fällt allerdings sehr schwach aus im Gegensatz zum eigentlichen Cappuccino-Effekt

- viele Erklärungen sind nur sehr ungenau und so ohne Weiteres kaum auf den vorliegenden "Versuchsaufbau" übertragbar; die meisten widersprechen sich

Das ist auch dann nicht anders, wenn man das ganze Internet danach absucht.
So gab es die Frage bereits 2004 auch beim WDR Kopfball.
Was dabei als "Antwort" in der Sendung gegeben wurde, ist eher ein Armutszeugnis für die an sich interessante Sendung.

Dem Herrn Baumann wird dort zur Antwort gegeben, dass es daran liege, dass beim Rühren Luftbläschen in der Flüssigkeit entstehen und der Schall in der Luft langsamer ist als in der Flüssigkeit, wodurch die Frequenz sinkt.

Anstatt zu fragen, warum dann der Ton in einer leeren Tasse, also quasi in einer komplett mit Luft gefüllten Tasse dennoch genau so hoch ist wie in einer Tasse mit nicht gerührter Flüssigkeit, lässt er sich mit dieser Antwort abspeisen und setzt sich wieder brav ins Publikum. Immerhin hat er eine Funkuhr bekommen. http://www.kopfball.de/pp_vg.phtml?vgsec=vg&vgr=exp&vgrid=354&vglrid=354

Auf der entsprechenden Archivseite http://www.kopfball.de/arcexp.phtml?&selExperiment=354&dr=datum wird es ähnlich aber etwas detaillierter erklärt. Hier wird auf die Kompressibilität des Mediums eingegangen, welche lediglich eine Erklärung für die unterschiedliche Schallgeschwindigkeit ist.
Nur die bereits erwähnte Frage, warum der Ton in der reinen Luft dann nicht genau so niedrig ist, bleibt unbeantwortet. Wenn es heißt, dass der Schall in den Luftbläschen langsamer ist, warum ist er dann insgesamt langsamer als in der Luft, wenn es keine Flüssigkeit gibt? Und wenn der Ton in der ungerührten Flüssigkeit schneller ist, warum ist er dann nicht schneller als in der leeren Tasse?

Ein deutliches Indiz dafür, dass man sich auch dort nicht absolut sicher ist und für die Experten diese Antwort nicht wirklich ausreicht, zeigt die Tatsache, dass auf der gleichen Seite ganz unten eine weitere völlig andere Theorie aufgeführt wird.

Es sieht also so aus, als wenn es sich hier doch um ein etwas mystisches KnoffHoff handelt, sofern niemand dieses Phänomen komplett und physikalisch schlüssig erklären kann.

Meine persönliche Theorie ist, dass es am Zusammenspiel von Kompressibilität und Massenträgheit des Mediums liegt.
Bei geringerer Kompressibilität wird der Schall schneller, wobei die Wellenlängen-Modulation von der Massenträgheit abhängt: Die Frequenz steigt. Bei höherer Massenträgheit wird die Wellenlänge größer, wobei die Schallgeschwindigkeits-Änderung von der Kompressibilität abhängt: Die Frequenz sinkt.

Im Wasser ist die Schallgeschwindigkeit 4 mal so hoch wie in der Luft, heißt es. Hat schon mal jemand eine bekannte Tonquelle, bspw. den Ruf eines Tauchers unter Wasser, gehört? Und war es eine Mickymouse-Stimme? Die Schallgeschwindigkeit ist eben nicht allein verantwortlich für die resultierende Frequenz.

Luft: kompressibel (tiefer) und nicht träge (höher) => leere Tasse; normaler Ton.
Flüssigkeit ohne Luft: wenig kompressibel (höher) und träge (tiefer) => ungerührter Cappuccino; normaler oder auch etwas höherer Ton.
Flüssigkeit mit Luft: kompressibel (tiefer) und träge (tiefer) => gerührter Cappuccino; tieferer Ton.

Mit einem schweren Gas wie Schwefelhexafluorid anstatt Luft als Medium kann man die Frequenzmodulation ebenfalls sehr gut nachvollziehen.

Und dennoch ist auch dies erst mal nur eine Theorie. Man müsste eine Computersimulation auf grober Molekularbasis schreiben, um die Zusammenhänge vollständig nachvollziehen zu können. (gk)

Gruß an alle Cappuccino-Trinker und sonstigen Interessierten

http://www.hausarbeiten.de/faecher/hausarbeit/phy/12180.html

ich denke, wenn ich die flüssigkeit in einer kaffeetasse in drehung versetze, entsteht
durch die zentrifugalkraft ein "loch" in der mitte der flüssigkeit.
Betrachte ich nun die form des "kaffeekörpers", so ist es annähernd eine röhre, die am boden geschlossen ist.
-> also die gestalt einer orgelpfeiffe, oder des klangkörpers eines blasinstrumentes.

die eigenfrequenz und somit den ton einer orgelpfeiffe kann man relativ einfach berechnen. (siehe link)

Die angeführten beispiele und berechnungen, decken sich mit den hörerlebnissen der cappuciono - trinker. (lange röhre - tieferer ton etc.)

Weiters ist der zusammenhang zwischen tonhöhe und temperatur des mediums sehr
einfach und einleuchtend erklärt, finde ich. :)

lg
fish

Folgende Ãœberlegung:

Was schwingt und erzeugt den Ton?
--> Die Seiten der Tasse

Was passiert beim rühren
--> Wie fish schon bemerkte bildet sich eine Art Strudel, aber entscheidend ist meiner Meinung nach folgendes:

Durch die Zentrifugalkraft wird die Flüssigkeit nach Außen gedrängt, da der Raum für die Flüssigkeit konstant ist, steigt der Flüssigkeitsspiegel am Rand der Tasse und der Resonanzkörper wird folglich kleiner, ergo der Ton steigt.

@Guido:
Deine Erklärungsansätze finde ich zwar etwa verwirrend (liegt am mangelnden Grundverständnis für Physik ;) ), aber trotzdem in sich schlüssig... ich finds übrigens echt Banane, mit einen so langen Beitrag zu DEM Thema durchzulesen :D

@ intruder
Das klingt deutlich einfacher... dafür noch schlüssiger... das einzige, was nicht rein passt, ist die Erkenntnis (von Guido), dass der Ton in einem ganz leeren Glas genauso klingt, wie in einem vollen, NICHT umgerührten Glas. Dort müsste deiner Theorie nach ja der Ton bedeutend höher (viel weniger Resonanzkörper) sein.
Der Effekt mit der Frequenzverschiebung tritt aber eben erst auf, wenn man die Flüssigkeit tatsächlich umrührt

Der Erkenntnis widerspreche ich auch, weil, wie sollte sonst ein Glasharfe funktionieren.

Dann nimm dir ein Glas und klopf mit einem Löffel auf den Boden... füll es anschließend mit Wasser und mach das Gleiche nochmal... dann rühr das Wasser und mach das Gleiche in drittes Mal... dann wird das schwieriger mit dem Widersprechen ;)


Sind Wasserharfen die Dinger mit den Wasserflaschen?
Wenn ja, funktionert deine Theorie da, weil der Resonanz"körper" in dem Fall der leere Raum der Flasche ist (den man mit dem Grad der Befüllung variieren kann). NICHT das Glas selbst.
DAS ist aber der Resonanzkörper bei dem Löffel-Experiment...

Okay, das mit dem Boden habe ich überlesen, in meiner Überlegung sind nur die Längsseiten eingegangen, gegen die schlägt man bei einer Rührbewegung ja auch.

Versuchsaufbau

Kaffeetasse mit Henkel, bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Kaffee / Teelöffel

...

Funktioniert nicht, höre keinen Unterschied, Ton bleibt gleich vor, während und nach dem Umrühren, kann an der Tasse liegen, vielleicht sind ist das Material zu dick..

Zur Glasharfe / Orgel oder wie man das nennen mag, ich meine zumindest das Teil, bei dem man die Gläser mit nassen Fingern in Schwingung versetzt ;)

Ach das Ding meinst du... hmm... da wäre der Resonanzkörper wieder das Glas, das stimmt...

ich kenn das ganze, wie schon gesagt, ja nicht vom Kaffee, sondern von nem Glas mit Wasser (denke mal, alles andere geht da auch)... mir fällt dazu aber nicht viel mehr ein :(

Ich hatte in der zweiten Zeile meines Beitrags einen Link auf einen vorhandenen Thread eingefügt.
Wachsende Tonfrequenz nach dem Umrühren

Dort steht im ersten Beitrag, letzter Absatz:
der Inhalt muss sich nicht drehen, man kann also auch zwei drei Rührumdrehungen zurück machen, damit die Drehung zum Stillstand kommt - der Effekt bleibt

Das kann man auch in dem Video beobachten. Da dreht sich kaum etwas, und die Oberfläche ist quasi plan.
Es funktioniert auch in einer Schüssel mit einem Mixer, der bei zwei eingesteckten Rührbesen keine Drehbewegung der Flüssigkeit bewirkt. In einer Tasse kann man den Effekt auch mit schnellem wiederholten Eintauchen eines Siebes bewirken, womit der Einfluss einer Drehbewegung gänzlich ausgeschlossen ist.

Mit der Temperatur kann es kaum zusammenhängen, da diese sich nicht innerhalb weniger Sekunden maßgeblich ändert. Zudem ist, wie in dem Video zu sehen, der Effekt durch nochmaliges Rühren beliebig wiederholbar, wodurch ja die Temperatur nicht plötzlich wieder ansteigt.

Also halten wir fest:
Bewegung: Nein
Temperatur: Nein
Resonanzkörperveränderung: Nein


verdammt; vielleicht sinds doch die blöden Luftbläschen... Aber vielleicht eben nicht die Luftbläschen selbst - würde ja wieder den Beobachtungen widersprechen - sondern der ÜBERGANG von Flüssigkeit zu Luftbläschen... vielleicht gibts da so'ne Schallbrechung, weil sich der Schall einfach ANDERS durch beide Medien bewegt; ähnlich wie beim Licht... und dieser Bruch sorgt für die Frequenzverschiebung...

Geräusch des Kaffees.....


DAS ist Poesie, dass es sowas noch gibt.

Die durch das Rühren in der Flüssigkeit gelöste Luft, die anschließend wieder langsam nach oben steigt und entweicht, ist m.E. die Ursache. Nur diese Erkenntnis ist noch längst keine Erklärung für die Tonmodulation.

sondern der ÜBERGANG von Flüssigkeit zu Luftbläschen... vielleicht gibts da so'ne Schallbrechung, weil sich der Schall einfach ANDERS durch beide Medien bewegt; ähnlich wie beim Licht... und dieser Bruch sorgt für die Frequenzverschiebung...

Die Schallbrechung ist neben meiner oben beschriebenen die zweite Theorie, die ich im Auge behalte.

Die Aussage von mir, dass die leere und die volle Tasse *völlig* gleich klingt, muss ich zurückziehen. Die leere klingt doch etwas tiefer als die volle, aber der Unterschied ist wesentlich geringer als durch Rühren.
Je voller oder dickwandiger das Material ist, desto geringer ist der Unterschied zwischen voller und leerer Tasse beim Klopfen. Ein großes dünnwandiges Glas wie ein Cognac-Schwenker macht da einen deutlichen Unterschied, weil dieses Glas im Gegensatz zum dicken Steingut-Kaffeepott stark schwingen kann, und das um so besser je weniger drin ist. Darum ist ein Kaffeepott oder auch ein dicker Glaskrug ungeeignet für eine Glasorgel oder für ein Glasxylophon.

Der Cappuccino-Effekt ist aber offensichtlich unabhängig von diesen Eigenschaften, wie bei dem Kaffeepott im Video deutlich zu hören ist.

Ein Cappuccino steht jetzt im Kühlschrank, um zu testen, ob sich der Effekt bei eiskalter Flüssigkeit auch noch zeigt. Meine Prognose ist, dass es funktioniert, da sich bei geringerer Temperatur die Luft sogar noch besser lösen lässt.

schließe mich der Theorie an!

ich meine auch, dass es - wenn überhaupt - noch besser klappt! lass un wissen, wie es gelaufen ist!

Ich persönlich mach mich jetzt erstmal an der Variante mit der Schallbrechung fest... der Schall wird gebrochen, wenn er auf die Luftblässchen trifft... die sind beim Rühren, oder Sieben oder was auch immer deutlich zahlreicher ---> extrem viele Brechungen. Und nimmt ziemlich rasant wieder ab...

Würde auch erklären, warum ruhende Flüssigkeit minimal andere Frequenzen hat: Ein bisschen Luft ist in jedem Glas ;)

Endlich mal ein wirklich interessantes Thema!

Was die Ursache des Effektes angeht, kann ich Guido nur zustimmen. Dass es tatsächlich am Schaum und den Luftbläschen liegt, kann man durch einen Vergleich mit normalem Wasser (oder auch schwarzem Kaffee, der allerdings nicht aus einer von den neumodischen Maschinen stammen sollte, die ziehen da zu viel Luft mit rein) nachvollziehen. Und je mehr Schaum das Pulver macht, desto stärker ist der Effekt, letztlich ist das alles sogar bei verschiedenen Marken anders.

Bei der physikalischen Erklärung schlage ich dann aber doch eine andere Richtung ein: Eine simple Vergrößerung des Resonanzraums durch die Luftbläschen (nicht einzeln betrachten, sondern als gesamtes Luftvolumen innerhalb der Flüssigkeit), dadurch geringere Tonhöhe, welche beim Aufsteigen der Luftbläschen wieder ansteigt. Was für meine These spricht, wäre der etwas dumpfere und vollere "Sound" nach dem Umrühren.

Gegenargumente?

Gegenargumente? relativ wenige...
Der Resonanzraum ist - wenn man mit dem Löffel gegen das Glas/Pott klopft - eben nicht die Flüssigkeit, sondern das Gefäß... die Flüssigkeit hat lediglich eine gewisse Wirkung auf den Resonanzkörper... denke ich...

@ gunslinger

Wo liegt denn bei einer Trommel der Resonanzraum? In der Wand? Eher nicht. Je kleiner der Resonanzraum, desto höher der Klang der Trommel. Betrachtet man das Luftvolumen in der Cappuccinotasse nun als Resonanzraum und die Flüssigkeit als Begrenzung dessen, erhält man genau den selben Effekt wie bei einer Trommel, deren Resonanzvolumen man stufenlos verkleinert.

Hast schon recht... allerdings: Die CappucinoTasse unterscheidet sich von der Trommel dahingehend, dass der Resonanzraum nicht geschlossen ist... was eine stufenlose Verkleinerung dann doch erschwert ;)

@ gunslinger

Ich hab doch eben geschrieben, dass die Flüssigkeit als Abgrenzung des Resonanzraumes zu betrachten ist, folglich ist er geschlossen.

nun... du hast geschrieben, der Resonanzraum wäre das Luftvolumen... und dieses sei begrenzt durch die Flüssigkeit... dann ist der Resonanzraum/Luftvolumen "nach unten" durch die Flüssigkeit geschlossen, aber nach oben hin offen...

@ gunslinger

Verständnisproblem. Sieh mal Tasse und Flüssigkeit als eine Einheit an und denk Dir dann ein beliebiges Luftvolumen mitten in die Flüssigkeit. ;)