Hvorfor fløyter en fløytekjele?

steamingkettleI kategorien «problemer som har plaget fysikk i over hundre år» vil du kanskje ikke vente å finne hvordan en tekjele virker? Du vet, den typen som har en tut som plystrer skingrende når vannet koker, og har gitt opphav til ordtaket «utålmodig som en fløytekjele»? Mens koking av vann er kjent stoff – selv for fysikere – så viser det seg at ingen egentlig har forstått hvordan plystringen til slike kjeler oppstår. Før nå. Les videre, så vil mysteriet endelig oppklares.

Anatomien til en tekjele

La oss først bli enige om hva vi snakker om. Noen tekjeler, spesielt av den britiske sorten, kommer med en spesiell tut som du kan sette på mens vannet koker opp. Tuten er lukket bortsett fra en liten sprekk, og hvis du ser inni ser du at det er en plate til der inne med en tilsvarende sprekk i. Det er med andre ord et lite, nesten lukket kammer inne i tuten, med en sprekk i hver vegg.

Når vannet koker frigis det damp inni kjelen, og dampen har bare et sted å gå – opp til tuten og ut gjennom først den ene og så den andre sprekken. I samme øyeblikk kommer fløytelyden, en ganske kraftig og insisterende piping som man skal være ganske hardbarket småbarnsfar eller tunghørt metalrocker for å ikke reagere på.

Vi skjønner intuitivt at det er dampen som presses gjennom sprekkene som gjør at det blir lyd. Men HVORFOR blir det lyd?

Te og forskere

Tekjeleplystreproblemet har vært kjent i England (hvor ellers) siden 1800-tallet. Bland andre John William Strutt, kanskje bedre kjent som Lord Rayleigh, ekspert på lyd og Nobelprisvinner i fysikk i 1904, prøvde seg på en forklaring, men innrømte selv at den ikke var god nok og at plystringen rundt år 1900 var et uløst mysterium.

Slik har det forblitt, men nå virker det imidertid som om problemet kan være løst. I en fersk artikkel i journalen Physics of Fuids, med den fan-te-stiske tittelen The Aeroacoustics of a Steam Kettle, legger de britiske (hva ellers) forskerne R. H. Henrywood og A. Agarwal frem kokende ferske målinger og nytrukket forståelse. De har faktisk funnet ikke bare en, men to forklaringer som begge bidrar.

Her er hva som skjer:

Vannet koker, og det dannes et damptrykk i kjelen. Dampen presses opp mot den første, indre sprekken. Gjennom den dyttes det så en tynn, sprekkformet søyle av damp. Hvis dette var alt så ville vi nok fått en lyd, men ikke en fløyting. Det ville minnet mer som den woooshende lyden av luft som slippes ut av en ballong.

Imidlertid må vi se litt på hva som skjer med dampsøylen. Den har, når den trykkes gjennom sprekken, et høyere trykk enn luften den kommer inn i inne i tuten. Noe av gassen vil også bøyes rundt sprekk-kanten. Søylen er dermed ustabil, og vil utvide seg litt på veien frem til sprekk nummer to. Når den kommer frem dit får den derfor bare nesten plass. De ytre delene vil skrelles av på den andre sprekken.

Denne avskrellingen viser seg å være nøkkelen. Det skaper små lommer av turbulens i luften, både innenfor og utenfor den andre sprekken. Disse roterer og dytter på luften på akkurat en slik måte at det dannes en pipelyd. «Lyd» er jo bare vibrasjoner i luft, så det dobbelt-sprekk-tuten får til er bare å skape rett type vibrasjon. Turbulens er nøkkelen, med andre ord. Dessuten: Jo mer vannet koker, jo sterkere blir dampspruten, jo røffere turbulens dannes, og jo skrillere, lysere og høyere lyd lager tuten.

Her er det hele en gang til, med forskernes egene ord og bilder:

131022-whistle-mechanism-credit-henrywood

Fløytekjelen i duett med seg selv

Forklaringen stanser imidlertid ikke der. Henrywood og Agarwal fant enda en effekt. Det viste seg at kjelene kan fløyte også ved ganske lavt damptrykk, lenge før det egentlig blir en fokusert sprut, men da med en fast, lav frekvens. Omtrent som når du blåser på en flaske – eller faktisk nesten akkurat som når du blåser på en flaske.

Denne andre, dypere lyden har en helt annen fysisk grunn enn turbulensen. Når du blåser på en flaske settes det opp stående bølger inne i den – trykkbølger som hopper opp og ned mellom flasketuten og bunnen, og dytter litt på luften hver gang de når toppen. Det samme skjer i orgelpiper, eller i munnen din når du plystrer.

I tekjelen kan det samme skje mellom de to veggene i tuten. Det at det blåser en svak dampvind gjennom sprekkene, gjør at det settes opp tilsvarende stående bølger der inne og vi får en ganske vanlig plystrelyd.

Denne siste effekten virker kanskje ikke så uventet, men artig nok er det den som overrasket forskerne mest. Antakelig er det fordi pipingen fra fløytekjeler, for trente ører, opplagt er noe annet enn plystringen du gjør med munnen. Der man leter etter fancy forklaringer, og dessuten finner dem, er det fort gjort å overse det enkle som også kan bidra. Her greide forskerne å få med seg begge deler.

Den anvendte fløytekjele

Det er mye vakker fysikk i te. Nå vet vi at det også er vakker fysikk i koking av tevann.

Det er mye vakker fysikk i te. Nå vet vi at det også er vakker fysikk i koking av tevann.

Dersom tekjeler var alt de dampende resultatene kunne brukes til, ville dette neppe vært mer enn en kuriositet. Som så ofte innen fysikk har fløytekjeleforståelse imidlertid anvendelser også på helt andre steder.

Luft som hvisler gjennom rørsystem inne i hus, eller eksosen i et eksosanlegg med sprekker, er begge tilfeller som i følge forskerne ligner på tekjeletuten. Når vi nå forstår hvordan lyden fra tekjelen blir til, særlig turbulensbiten, kan vi lettere forutsi hva slags lyd andre rørsystemer vil lage og dermed prøve å få bukt med det.

Neste gang du setter på en tekjele av den britiske typen, kan det med andre ord hende at huset ditt er litt stillere enn det var før. Du kan nyte din nytrukne te i utsøkt, meditativ stillhet, på grunn av moderne forskning og en fersk løsning på et hundre år gammelt problem innen teismen.
Kilder:

http://www.cam.ac.uk/research/news/how-the-kettle-got-its-whistle
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/pof2/25/10/10.1063/1.4821782

One comment

  1. Carbomontanus · oktober 30, 2013

    Samset
    dette her er viktig skjønneru, og det er faktisk mitt fag hvor jeg skal være spesialist. Det kalles Tibiologi, og er en gren av Organologien, som igjen er et «must!» innenfor den absolutte fysikk.

    Den pipa der står ekstra nevnt hos Rayleigh, theory of sound fra ca 1884 tror jeg. Som en raritet pekt på fra Rayleighs side.

    Den finnes montert i pipe- bamser som piper når man trykker på dem.

    Det er to blikkplater med rundt hull overens og i en lukket kapsel. De har og vært i salg i løsvekt og til å putte i munnen og pipe med.

    Men her må vi til med loddebolt og blikkbokser og blikksaks og gjøre forsøk. Resonansen inni kapselen er også viktig. Der er det mulig vi kan lage en ring og klemme platene på hverandre.

    Et meget viktig utstyr er så det RC- koblede oscilloscop der ren sinus gir en ring og vanlige fløytetoner alt annet enn en ring, nemlig ville slanger og drager som biter seg selv i halen og hever seg suverent over den såkalte klassiske fysikk, centralt på Empirisk Matematisk naturvidenskabelig fakultets grønne og fruktbare gressganger.

    Det er «unlinear acoustics».

    Man kan bli frelst pytagoreer av mindre. Og akkurat det scopet er det 20 Århundres Krystallkule og det apparatet som Rayleigh særlig manglet og som han etterlyste intenst. Ellers var han en «trollmann» en sann artist i laboratoriet og i Store Fysiske Auditorium med datidens midler.

    Det scopet viser at hvis man plystrer, så er man ute av stand til å få til noe annet enn ren sinus. Klarer man å synge den absolutte ÅÅÅÅÅÅÅÅÅÅÅ^, så blir det en ring med en ekstraløyfe. Og den absolutte ØØØØØØØØ gir en ring med to ekstrasløyfer. Kun Claudia Mertens som spiller traverso og som driver med Yoga og Meditasjon, klarte å synge den absolutte OOOOOOOOO, den rene sinus. Og man må se på scopet mens man synger, for å få det til.

    Dette er det tibiologiske grunnlag, G O D, systemet, som står for Grunntone Octav Duodecima. eller 1,2,3…. grunntonen, den doble og den tredobbelte frekvens.

    Stoppede piper gir Duodecimal klang, ØØØØØØØ- mens med åpne piper kan man få til ÅÅÅÅÅÅ klangen eller den Octaviale klang.

    Men jeg må se nærmere på Rayleigs pipe.

    PNEVMA-tiske oscillatorer, merk det også, Samset.

    Sannheten er den at vind- instrumentene er helt usynlige. Hva vi ser er kun deres randbetingelser. Det ligger i luften og det er luften som er deres materielle kropper, og bølger med knuter og buker og fasekoblede og superponerte nemlig coherente sådanne er deres former.

    Mulripliser aldri lambda med ny og regn med det inni eller nær opptil sterke lydkilder, for da regner du feil. Lambda og ny må holdes hver for seg og er så reelle som de kan få blitt. Men produktet har ingen konstant utstrekning i rommet. Dette er forøvrig som i radiosendere og mottagere, og i atomer og molekyler. Derfor er organologien og tibiologien svært viktige støtte og hjelpevidenskaper.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s