← Natur, fysik, kemi og matematik

Det syngende vinglas

Gnid en våd finger rundt langs kanten, og glasset synger. Hæld vin i, og tonen falder. Væsken gør ikke glasset blødere; den skal flyttes med, når væggen svinger, og den ekstra masse sænker tonen.

– Hz
Træk for at dreje glasset

På iPhone skal lydløs-knappen være slået fra.


I procent af skålens højde.

Væske

Glas

Omgange pr. sekund. Svingningsmønstret følger fingeren, så du hører tonen pulsere fire gange pr. omgang.

Tonen mod væskestanden

valgt væske vand, til sammenligning
Tonen falder næsten ikke, før glasset er halvt fyldt, og så hurtigt. Det er fjerdepotensen i formlen.

Spektrum

Gnides glasset, svinger det kun i den laveste form (4 bugter), med svage harmoniske overtoner fra fingerens stik-slip. Slås det, ringer også de højere former, som ikke er harmoniske.

Fysikken bag

Hvordan glasset svinger

Glasskålens væg bøjer, så kanten skiftevis bliver oval den ene og den anden vej. Den laveste svingningsform har fire bugter og fire knuder rundt om kanten (her kaldt \(n = 2\), fordi mønstret gentager sig to gange pr. omgang). De næste former har seks og otte bugter. For en tynd cylinderskal er frekvensen

\[f_n \propto \frac{a}{R^2}\,\frac{n(n^2-1)}{\sqrt{n^2+1}},\]

hvor \(a\) er vægtykkelsen og \(R\) radius. Et tykkere glas synger altså højere. Med \(n = 2, 3, 4\) giver formlen forholdet \(f_2 : f_3 : f_4 \approx 1 : 2{,}8 : 5{,}4\). For et rigtigt vinglas med krum skål er det typisk nærmere \(1 : 2{,}7 : 5\), som bruges her. Overtonerne er ikke hele multipla af grundtonen. Derfor lyder et anslået glas som en klokke og ikke som en fløjte.

Hvorfor væsken sænker tonen

Når væggen bevæger sig ind og ud, må væsken tæt ved væggen flyttes med. Den kinetiske energi stiger, mens den elastiske energi i glasset er den samme. Frekvensen er \(\omega^2 = K/M\), så den ekstra masse sænker tonen. A.P. French viste i 1983 med energimetoden, at

\[\left(\frac{f_0}{f}\right)^2 = 1 + \beta\,\frac{\rho_\text{væske}\,R}{\rho_\text{glas}\,a}\left(\frac{h}{H}\right)^4 .\]

Her er \(h\) væskens dybde, \(H\) skålens højde og \(\beta\) en formfaktor, der afhænger af glassets form; her er \(\beta = 0{,}1\) og for de højere former skaleret med \(2/n\), fordi væsken følger dem mindre. Fjerdepotensen kommer af, at væggen næsten står stille forneden og svinger mest ved kanten. Derfor mærkes væsken først rigtigt, når glasset er over halvt fyldt.

Formlen viser også, hvad der betyder noget: væskens massefylde (honning sænker tonen mere end sprit), glassets radius og hvor tynd væggen er. Et tyndt krystalglas påvirkes mere af væsken end et tykt glas.

Fingeren, stik-slip og pulseringen

En våd finger hænger fast i glasset og glider skiftevis (stik-slip). Hver gang glasset svinger, får det et lille skub i takt med sig selv, og derfor svinger det i sin egen egenfrekvens, ligesom en violinstreng under buen. Stik-slip giver en lidt kantet svingning, så der kommer svage overtoner på præcis \(2f\) og \(3f\), hvor \(f\) er grundtonen.

Svingningsmønstret følger fingeren rundt. Står du stille ved siden af glasset, passerer der fire bugter og fire knuder forbi dig pr. omgang, så lydstyrken pulserer med \(4 f_\text{finger}\). Matematisk er lyden \(\cos(\omega t)\cos(2\Omega t)\), hvor \(\Omega\) er fingerens vinkelhastighed, altså to toner med frekvenserne \(f \pm 2 f_\text{finger}\). Det er målt: med en roterende finger ses to næsten lige store toppe i spektret.

Dæmpning og hvor længe glasset ringer

Et anslået glas ringer med en efterklangstid bestemt af godheden \(Q\): amplituden falder som \(e^{-t/\tau}\) med \(\tau = Q/(\pi f)\). Tyndt krystalglas kan have \(Q > 1000\) og ringe i sekunder; et tykt glas dør hurtigere ud. Væsken dæmper også, især en tyktflydende væske som honning, fordi den skal skubbes frem og tilbage. Olie og honning giver derfor en kortere og mere mat klang.