Fysik på Ullevi

Ljud är något som breder ut sig där utbredningen kan liknas vid de vågor som bildas när en sten släpps i vattnet och det bildas ringar runt stenen som åker ut från punkten där sten slog ner. När vi nu placerar en högtalare i mitten av en fotbollsplan och sänder ut en ton kommer ljudet breda ut sig likt vattenvågorna runt stenen.

Ljudet skapas från vibrationer från högtalaren som sedan skapar tryckökningar (förtätningar) och tryckminskningar (förtunningar) i luften. Dessa tryckförändringar sprider sig likt vattenvågor och breder ut sig i ringar runt högtalaren. Det här sker eftersom ljudet är riktningsoberoende vilket betyder att ljudet sprider lika bra i alla riktningar.

I videoklippet ser vi hur ljudet färdas över diagonalen på fotbollsplanen med en viss hastighet, eftersom vi ser att alla elever inte tar ner sina plakat samtidigt. I luften är ljudets hastighet ungefär 340 m/s (denna hastighet varierar lite med temperaturen och luftfuktigheten). Vi kan beräkna ljudhastigheten med hjälp av videoklippet. Vi mätte tidsskillnaden mellan de som stod närmast högtalarna och de som stod längst bort från högtalaren, när de drog ner sina plakat. Vi mätte tiden genom att räkna antalet filmrutor där vår kamera filmade med 30 bilder per sekund. Vi fick en tidsskillnad på 0,5±0,1 s.  Längden på diagonalen uppmättes till 140 meter. Vi kan då beräkna ljudhastigheten övre gräns v=140/0,4=350 m/s och nedre gräns till  140/0,6≈233 m/s. Storleken på intervallet beror till största delen på att det är svårt att avgöra när plakat börjar dras ner, och alltså den exakta tidsskillnaden.

Man brukar använda ljudets utbredningshastighet för att bestämma hur lång det är till ett blixtnedslag. Vid ett sådant skapas blixten (ljuset) och åskan (mullret) samtidigt. Ljuset rör sig extremt fort (300 000 000 m/s) och vi ser blixtljuset nästa samtidigt som blixten slår ner. Men åskan (mullret) rör sig med hastigheten 340 m/s. Man räknar tusen 1, tusen 2, tusen 3 för att uppskatta hur många sekunder det är mellan blixten och åskan. Det tar ungefär 3 sekunder för ljuset att gå 1 km. (340 m/s×3 s=1020 m vilket är ungefär en kilometer). Så om man delar tiden med tre erhåller man det ungefärliga avståndet mätt i kilometer.

Vid experimentet på Ullevi stod högtalarna en bit ifrån varandra. I en punkt på gräsmattan, där skillnaden i avstånd till de två högtalarna är ett helt antal våglängder, kommer vågorna vara i fas och förstärka varandra. Men om skillnaden i avstånd är en halv våglängd (eller 3/2 eller 5 /2) kommer vågorna vara i otakt och släck ut varandra, där blir det tyst.

På Ullevi blev ljudet svagare men inte helt tyst, vilket beror på att ljudet reflekteras från läktarna inne på Ullevi och därför hör vi ljudets reflektion när det egentligen ska vara helt tyst från högtalarna. Vill man uppnå total destruktiv interferens får man göra om experiment i ett ljudisolerat rum där ljudvågen absorberas av materialet på väggarna. Det fungerar även att göra experiment nära en skog eller hav eftersom omgivningen inte reflekterar tillbaka ljudet.

I videoklippet ser vi att eleverna går runt och letar efter ljudminimum. Eftersom de bara får röra sig parallellt med kortsidan kommer de röra sig mellan områden med konstruktiv och destruktiv interferens. När eleverna har identifierat ett område där ljudet är extra svagt stannar de. Vi ser att de flesta har ställt sig i linjer vilket kallas ljudintensitetsnoder. Vissa har inte har placerat sig vid dessa linjer, och detta kan bero på reflektioner vilket gör det svårare att höra skillnader i ljudstyrka. Ytterligare faktorer som stör är även vindpustar. Detta bidrar till att det kan vara svårt att höra tydliga skillnader i ljudstyrkan och det är därför viktigt att gå långsamt med små steg. Till sist kan det ju även beror på att en elev var mer intresserad av vad kompisarna gjorde än att lyssna efter ljudet!