Kérdés: Miért adnak a fémek csengõ hangot?


1. válasz: A fémek ütés hatására adnak hangot. Ha egy anyagot megütünk, erõt fejtünk ki rá, és egy kicsit deformáljuk. Ha az anyag rugalmas (például fém), visszatér az eredeti alakjához, majd az ellenkezõ irányban deformálódik. Ez sokszor ismétlõdhet: rezgés keletkezik. Ennek a rezgésnek a frekvenciája és hossza adhatja a csengõ hangot.
 
A fémek általában nem deformálódnak nagyon egy adott erõ hatására (nagy a Young-moduluszuk). Ha egy fém rezeg, a rezgési frekvenciája viszonylag nagy, mert a mozgás mértéke kicsi. Az acélnak nagy a Young-modulusza, ezért ha leejtünk egy acél csavarkulcsot, magas hangot hallunk. A kis Young-moduluszú ólom tompa puffanással ér földet. Az üveg Young-modulusza hasonló az alumíniuméhoz, ezért hallunk csengõ hangot, ha megkocogtatunk egy boros poharat.

A csengés hossza azzal az energiamennyiséggel van kapcsolatban, amely akkor adódik le, amikor az anyag végigmegy a deformációs cikluson. A fémek esetében ez a folyamat elég lassú, ezért a hang sokáig szól.

Nem hanyagolhatjuk el azonban azt az energiát, amely a deformációkor hõvé alakul át. Ha egy fémet többször erõsen meghajlítunk, érezzük, hogy a meghajlított rész felmelegszik. A csengés hossza a hangmagassággal is összefügg: a magasabb hangok kevesebb hangenergiát szállítanak el, ezért tovább tartanak.

B. R. Gates, Barrow-in-Furness, Cumbria
 



2. válasz: Annak az anyagnak, amelybõl hangos, hosszan tartó csengést akarunk kiváltani, az emberi fül számára érzékelhetõ frekvencián kell rezegnie. A rezgõ tömegnek  lényegében homogénnek kell lennie, nem lehetnek benne belsõ határok: a zárványok vagy a komponens-kristályok átmérõjének jóval 1 milliméter alatt kell lennie.
 
Az érzékelhetõ tulajdonságok az atomi/molekuláris kölcsönhatások eredményei. Az elektronok közötti erõs kötés miatt az anyag merev és erõs lesz. A rugalmas anyag elektronjai elmozdulhatnak nyugalmi helyzetükbõl, de az erõhatás megszûnése után visszatérnek. 

A fém elektrontengerben elhelyezkedõ pozitív töltésû atommagok rendezett együttese. A fém tehát homogén. A fémek többsége az erõs elektronvonzás miatt erõs. A fémek rugalmassági modulusza rendszerint százszor nagyobb, mint a fáé vagy az erõs mûanyagoké.

Minden homogén, kemény, merev és erõs anyag, amely rövid távon rugalmas, csengõ hangot adhat. A fémek többsége csengõ hangot ad, de például az ólom és a nátrium nem (bár még sohasem ütöttem meg nátriumot). A nehezebb fémek, ha elég kemények, jó hangot adnak. A réz (sárgaréz), az ezüst, az ón (a bronz és harangbronz) hangja sokkal gazdagabb, mint az alumíniumé. A nehéz, rezgõ atommagok több energiát tárolnak, mint a könnyû magok.

A keményfa, amilyenbõl például a xilofont készítik, tompa hangot ad; rugalmassági modulusza kicsi, és a hangja nem marad fenn sokáig, mert az anyag nem elég rugalmas, és a rezgési energia gyorsan leadódik. Az üveg homogén, kemény és erõs; kis deformációk esetén tökéletesen rugalmas. Csengése azért gyenge, mert rugalmassági határa kicsi.

A kvarc egykristályok jól rezegnek, de természetes frekvenciájuk az emberi hallásküszöbön túl van.

Leslie Seed, Hertford Cheshire
 



 
3. válasz: A korábbi válaszok szerint a fémnek homogénnek kell lennie ahhoz, hogy csengjen. Ez nincs egészen így. A bronzharangokat rendszerint úgy készítik, hogy az öntõformát teletöltik. A folyékony fém öntéskor fröccsen, és a kifröccsent fémet szinte azonnal oxidréteg vonja be. A lentrõl emelkedõ fém-massza ezt az oxidot "magába szívja", miközben a saját oxidját viszi a felszínén. A kifröccsent fémet tehát kettõs oxidréteg két száraz réteg zárja be, ami úgy viselkedik, mintha repedés lenne. A sugárban lefelé ömlõ anyag körül is "oxid-csõ" keletkezik.

A különbözõ alakú repedések mérete mikrométertõl centiméterig terjedhet. A forma feltöltésekor keletkezõ csõ miatti hiba méterekben mérhetõ. Ezek a hibák szinte minden olyan öntvényen megjelennek, amelyet felülrõl töltenek a formába, bár nem mindig láthatók. A világ sok nagy harangján van repedés, például a Big Benen és a moszkvai nagy harangon is.

Ha a harangokat modern eljárással öntik, és az anyagot alulról felfelé töltik be, a repedések elkerülhetõk. Adott tömeg és alak mellett ezek a harangok magasabb hangot adnak és körülbelül kétszer addig rezonálnak, mint az elõzõk.

John Campbell, West Malvern Worcestershire
 


Vissza a kérdésekhez
The Last Word Archive
Copyright New Scientist, RBI Limited 1998
For more science news and views, check out New Scientist