Wieso pfeift ein Wasserkocher
Wieso pfeift ein Wasserkocher?
Klassische Pfeifkessel, wie sie viele noch von den Großeltern kennen, wenn es Tee oder Kornkaffee gab, mögen einigen als antiquiert erscheinen. Doch auch bei manchen modernen, elektrischen Wasserkochern kann man einen Pfeifaufsatz finden, den ein pfeifender Wasserkocher hat einen interessanten Vorteil. Der eindringliche Ton ist auch in einer größeren Wohnung oder einem Einfamilienhaus fast überall hörbar, ganz anders als das einmalige Klicken einer mechanischen Abschaltung. Doch warum pfeift der Wasserkocher eigentlich?
Wie entsteht Wasserdampf?
Alle materiellen Stoffe — zum Beispiel Wasser, Sauerstoff, Metalle oder Gestein, um nur einige zu nennen – können in festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand vorkommen. Chemiker sprechen von den Aggregatzuständen und können für jeden Stoff genau sagen, bei welchen Temperatur- und Druckverhältnissen sie sich in welchem Zustand befinden. So bildet Wasser bei normalem Druck und unter 0 Grad Celsius den festen Stoff, den man Eis nennt.
Über 100 Grad Celsius befindet sich Wasser in seinem gasförmigen Zustand – wir sprechen von Wasserdampf. Materie besteht ja bekanntlich aus Bausteinen, die man Moleküle und Atome nennt. Wie fest ein Stoff ist, hängt – vereinfacht gesagt – davon ab, wie dicht diese Teilchen zusammengepackt sind. Die Dichte hängt wiederum mit der Temperatur zusammen, denn Wärmeenergie erzeugt Bewegungsenergie, und je mehr sich die Moleküle und Atome bewegen, desto weniger fest ist der Stoff, den sie bilden.
Der Wasserdampf hat eine so hohe Temperatur, dass die Moleküle genug Bewegungsenergie haben, um sich frei im Raum zu bewegen. Eigentlich würden sie davonfliegen, aber in einem geschlossenen Gefäß wie dem Wasserkocher können sie das nicht. Der Dampf kann zwar teilweise durch das kleine Loch im Pfeifaufsatz entweichen, aber mit steigender Wassertemperatur entsteht immer mehr Dampf, der sich im Wasserkocher staut, weil das Loch zu klein ist, um so viel Dampf durchzulassen. Der Druck im Inneren des Gefäßes nimmt immer weiter zu und so strömt der Dampf mit steigender Geschwindigkeit aus dem Aufsatz hinaus. Sind Druck und damit Geschwindigkeit groß genug, erzeugt der Pfeifaufsatz Schallwellen.
Was ist Schall?
Bei dem Wort Schall denkt man häufig nur an, durch die Luft übertragene Töne und Geräusche. Physikalisch gesehen ist Schall jedoch ganz allgemein jede wellenförmige Druckschwankung in irgendeinem Medium, wie zum Beispiel Luft, Wasser, Metalle oder Gestein. Klopft man mit den Fingern auf eine Tischplatte, verursacht dies Druckschwankungen im Holz – es entstehen Schallwellen.
Die Vibrationen in der Platte übertragen sich auf die Luft und gelangen durch sie ins Ohr, wo das Trommelfell zu entsprechenden Schwingungen angeregt wird. Die Nerven im Ohr senden Informationen über die Schwingungen ins Gehirn und wir hören einen Ton.
Tonhöhe und Lautstärke hängen zusammen mit der Frequenz und der Stärke der Schwingungen. Die Frequenz – also die Schnelligkeit und Häufigkeit der Wellenbewegung – wird in Hertz (kurz: Hz) gemessen. 1 Hz bedeute eine Schwingung pro Sekunde. Menschen können Schallwellen mit einer Frequenz von circa 20 bis 20.000 Hertz bewusst als Töne wahrnehmen, wobei der Ton um so höher klingt, je höher die Frequenz ist. Die Lautstärke wird in Dezibel gemessen und bezeichnet den Druck, den eine Schallwelle verursacht.
Für den Wasserkocher bedeutet dies Folgendes: Strömt der Dampf durch die Pfeife, entstehen Schallwellen mit einer bestimmten Frequenz, aber erst, wenn die Strömungsgeschwindigkeit hoch genug ist, sind auch die Schallwellen stark genug, um ausreichend Druck auf das Trommelfell auszuüben. Dann erst können wir den Ton hören.
Wie funktioniert der Pfeifaufsatz?
Am einfachsten lässt sich die Funktionsweise der Pfeife an einer normalen Limonaden- oder Bierflasche erklären. Jeder weiß, dass wenn man flach über eine Flasche bläst, ein Ton entsteht. Im Prinzip funktioniert das ganz ähnlich wie bei einer Flöte, Orgelpfeife oder eben dem Pfeifaufsatz des Wasserkochers. Zwei wichtige Elemente spielen dabei eine Rolle. Zum einen eine Kante, an der sich der Luftstrom teilt und zum anderen ein Hohlraum, in den ein Teil der Luft hineinströmt. Bei der Flasche ist die Kante die Öffnung des Flaschenhalses und der Hohlraum das Innere der Flasche.
Bläst man nun über die Kante, strömt ein Teil der Luft gerade über sie hinweg. Der andere Teil strömt in die Flasche hinein, trifft auf die Wände, wird nach unten gleitet, strömt dann wieder hoch und aus der Flasche hinaus. Es bildet sich also ein zirkulierender Luftstrom im Inneren der Flasche.
Tritt diese Luft nun wieder aus ihr hinaus, stößt sie auf den ersten, gerade über die Flasche hinweg fließenden Luftstrom und bringt ihn zum Schwingen – eine Schallwelle entsteht. Je kleiner der Raum ist, in dem die Luft zirkuliert, desto häufiger trifft sie auf den oberen Luftstrom, das heißt, je geringer das Volumen des Hohlraums, umso höher ist der resultierende Ton. Deshalb produziert eine Flasche mit viel Flüssigkeit in ihr, einen höheren Ton, als eine leere Flasche.
Der Aufsatz des Wasserkochers funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Der genaue Aufbau unterscheidet sich von Pfeife zu Pfeife, aber in den meisten Fällen werden zwei hintereinanderliegende Scheiben mit je einem kleinen Loch in der Mitte verwendet. Der Dampf strömt durch das erste Loch und wird zu einem geraden Strahl gebündelt. Dieser Dampfstrahl trifft auf das Loch in der zweiten Scheibe und wird dort zweigeteilt. Wie oben beschriebenen, gerät ein Teil des Dampfes innerhalb des Aufsatzes in Rotation und regt den anderen, durch das zweite Loch hinaustretenden Dampfstrahl zum Schwingen an.
Diese Schwingungen sind die Schallwellen, die wir als Pfeifen akustisch wahrnehmen.
Sie sehen, alles, was nötig ist, um das Pfeifen eines Wasserkessels zu verstehen, sind ein klein wenig Chemie und Physik. Viele solcher Alltagsphänomene lassen sich mit ein bisschen naturwissenschaftlichem Verständnis erklären und verstehen. Die Welt etwas besser zu verstehen lernen ist spannend und kann viel Spaß machen. Vielleicht kaufen Sie sich zum nächsten Wasserkocher ja gleich ein kleines Physiklehrbuch dazu.
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