Messungen zum freien Fall mit der Soundkarte

John Frederic Schommer, Wolfgang Kabuß
LK Physik 12, Gymnasium Korschenbroich

Die Messung von Fallzeiten für Strecken von einigen Dezimetern ist einfach, wenn man eine Uhr zur Verfügung hat, die durch elektrische Impulse gestartet und gestoppt werden kann. Solche elektrische Stoppuhren werden in der Regel bei Experimenten zum freien Fall im Physikunterricht verwendet. Ein Computer mit einer Soundkarte macht es möglich, solche Messungen auch als "Hausaufgabe" durchzuführen. Zur Vorbereitung sind lediglich einige einfache Bastelarbeiten notwendig: Es muß ein Kabel gelötet und eine Wäscheklammer präpariert werden.

Den Beginn und das Ende der Fallbewegung haben wir mit zwei Mikrofonen erfaßt. Um beide Mikrofone an die Soundkarte anschließen zu können, haben wir zunächst ein Kabel gelötet, bei dem die Ausgänge zweier Klinkenbuchsen in einem Klinkenstecker zusammengeführt werden: Beide Mikrofone werden auf diese Weise parallel geschaltet. Eines der Mikrofone wird auf ein Brett in die Nähe der Stelle gelegt, an der der Versuchskörper (eine Schraubenmutter) am Ende der Fallstrecke aufschlägt. In der von der Soundkarte aufgenommenen WAV-Datei wird so der Aufschlagszeitpunkt deutlich gekennzeichnet.

Schwieriger ist es, den Anfangszeitpunkt der Fallbewegung zu erfassen. Wir haben bei unserem Versuch dasselbe Prinzip verwendet, das bei der Lehrmittelapparatur unserer Schule Anwendung findet. Dort wird eine Metallkugel in einer Klemmvorrichtung festgehalten, die durch einen Fotoauslöser gelöst werden kann. Die Klemmvorrichtung bildet zusammen mit der Metallkugel den Teil eines geschlossenen Stromkreises. Wird sie gelöst, so wird gleichzeitig mit dem Beginn des Falls der Kugel der Stromkreis unterbrochen. Dieser Impuls startet die Stoppuhr.

Die Klemmvorrichtung für unseren Versuch besteht aus einer Wäscheklammer, deren Enden mit zwei Messingschrauben durchbohrt wurden. Das ist in der ersten Abbildung gezeigt. Zwischen den Köpfen der Schrauben wurde der Testkörper festgeklemmt. Eine der beiden Leitungen, die zum zweiten Mikrofon führen, wird durchtrennt, und die beiden Leitungsenden werden mit den Spitzen der Schrauben verbunden. Das Mikrofon ist also nur solange mit der Soundkarte verbunden, solange der Testkörper von der Wäscheklammer festgehalten wird.

Um den Startzeitpunkt der Fallbewegung zu markieren, singt (oder brummt) man in das Startmikrofon. Diese Aufnahme wird abrupt unterbrochen, wenn man das hintere Ende der Wäschklammer zusammendrückt und so den Testkörper freigibt. Stellt man die WAV-Datei mit einem geeigneten Programm dar, so kann man sowohl den Beginn als auch das Ende der Fallbewegung mit der durch die verwendete Samplingrate gegebenen Genauigkeit ablesen. Die Differenz dieser Zeitpunkte ergibt die gesuchte Fallzeit.

Bei der Auswertung muß man berücksichtigen, daß unterschiedliche Soundkarten unterschiedlich auf die plötzliche Unterbrechung der Mikrofonleitung reagieren. In einigen Fällen bricht die Aufnahme tatsächlich direkt ab, in anderen zeigen sich Spannungsspitzen in der WAV-Datei. In jedem Fall ist aber der Beginn den Fallbewegung deutlich zu erkennen.

WAV-Datei für die Fallstrecke von 0,5 m
Gemessene Fallzeit : 0,32s ; berechnete Zeit : 0,3193s

WAV-Datei für die Fallstrecke von 1,0 m
Gemessene Fallzeit : 0,45s ; berechnete Zeit : 0,4515s

Das Ziel unseres Versuchs war es nicht, das Fallgesetz nochmals herzuleiten (das ist Stoff der Klassenstufe 11). Wir wollten vielmehr testen, inwieweit sich die beschriebene Meßmethode zur Untersuchung des freien Falls eignet. Die abgebildeten Diagramme zeigen die WAV-Dateien, die wir für Fallstrecken von 1 m und für 0,5 m erhalten haben. Die abgelesenen Zeiten von 0,32 s für s = 0,5 m und 0,45 s für s = 1m stimmen mit den aus dem Fallgesetz berechneten Zeiten (für g=9,81 m/s²) besser als auf 0,01s überein.


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