Beschreibung
Beim “Cappuccino-Effekt” geht es um Folgendes: Ich rühre eine Tasse Cappuccino um, klopfe mit dem Löffel auf den Boden der Tasse und der Ton wird immer höher. Warum ist das so?
Tonhöhe, Frequenz und Wellenlänge
Wie hoch wir einen Ton hören, hängt von der Frequenz der Schallwelle ab. Platt gesagt: Wie häufig die Schallwelle pro Sekunde schwingt. Beim Kammerton A schwingt sie 440 Mal in der Sekunde.
Normalerweise gibt es auch eine feste Verbindung zwischen der Wellenlänge und der Frequenz. Denn: In der Luft bewegt sich Schall mit einer praktisch konstanten Geschwindigkeit fort – etwa 340 Metern in der Sekunde. Und um einmal ganz zu schwingen, muss die Welle ihre eigene Wellenlänge zurücklegen. Das heißt: Eine halb so lange Welle schwingt in der gleichen Zeit doppelt so oft, einfach weil sie für die gleiche Strecke durch die Luft nur halb so lang braucht. Ein Ton mit kürzerer Wellenlänge hat also eine höhere Frequenz und ist damit höher.
Die Kaffeetasse als Resonator
Wenn wir auf den Boden der Tasse klopfen, fängt die Tasse an zu schwingen, wodurch eine ganze Reihe von Tönen entsteht. Beim Cappuccino-Effekt geht es um den Ton, der in der Wassersäule durch Resonanz dieser Schwingung der Tasse entsteht. Und in dem Fall – bei Resonanz in Wasser – ist die Wellenlänge des Tons vorgegeben durch die Höhe der Wassersäule – sprich: wie viel Kaffee in der Tasse ist.
In Wasser oder Kaffee ist die Schallgeschwindigkeit zwar anders als in Luft – etwa vier Mal schneller – aber im Normalfall auch immer gleich schnell. Das würde beim Klopfen also bedeuten: gleiche Wellenlänge, gleiche Schallgeschwindigkeit, gleiche Frequenz, gleiche Tonhöhe.
Luftbläschen im Kaffee: Warum der Ton immer höher wird
Wenn ich den Kaffee aber rühre, dann rühre ich viele kleine Luftbläschen rein. Und die machen den Schall in der Flüssigkeit deutlich langsamer, auch wenn sie noch so klein sind. Die Bläschen steigen aber nach und nach an die Oberfläche und verschwinden – der Schall wird also wieder schneller.
Wir haben also die ungewöhnliche Situation, dass sich die Schallgeschwindigkeit hier in kurzer Zeit deutlich ändert. Aber gleichzeitig bleibt die Wellenlänge gleich, denn die ist ja dadurch vorgegeben, wie viel Kaffee in der Tasse ist. Das bedeutet: Wenn wir in dieser Zeit auf den Boden der Tasse klopfen, dann entsteht zwar immer eine Schallwelle mit der gleichen Wellenlänge, aber sie ist jedes Mal ein bisschen schneller als vorher, hat damit eine höhere Frequenz und das gibt einen höheren Ton.
Frank Crawford: drei Oktaven im Experiment, eine in der Kaffeetasse
In einem idealisierten Experiment konnte der Physiker Frank Crawford Anfang der 1980er-Jahre einen Unterschied von drei Oktaven zwischen dem tiefsten und dem höchsten Ton erreichen. Die genauen Töne kommen eben auf die Höhe der Wassersäule an, aber drei Oktaven sind zum Beispiel der Unterschied zwischen dem tiefen E, am unteren Ende der Bassstimme, bis zum zweigestrichenen E, am oberen Ende von Mezzo-Sopran.
In der Kaffeetasse erreichte Crawford allerdings nur etwa eine Oktave Unterschied. Ich finde es nicht einfach zu hören, aber ich meine, in dem Bereich – eine Oktave – ist mein Versuch ungefähr auch.
Nicht nur Kaffee: Wo der Cappuccino-Effekt noch zu hören ist
Das funktioniert nicht nur mit Kaffee, sondern theoretisch mit jeder Flüssigkeit, in der Gasbläschen aufsteigen, zum Beispiel das CO2 in Limo oder Bier. – In Kaffee, vor allem mit Milch, funktioniert es aber besonders gut, weil die gelösten Stoffe die Luftbläschen stabilisieren. So landet durch das Rühren mehr Luft in der Flüssigkeit als in kaltem Wasser, wo der Effekt praktisch nicht hörbar ist.
