Galilei ließ Kugeln aus verschiedenem Material zur Erde fallen (der Überlieferung nach vom schiefen Turm zu Pisa) – und stellte fest, dass alle zur gleichen Zeit auf den Boden aufschlugen. Im Physikunterricht kam die Frage auf, wie genau man das mit einfachen Mitteln nachprüfen könne – und in wie weit man dabei den Literaturwert der Fallbeschleunigung (g = 9,81 m/s²) messen würde.

Abb. 1 Ultraschall-Entfernungsmesser im Treppenhaus der Schule

Unsere Körper waren Kugeln mit (fast) gleichem Durchmesser, und zwar ein Tischtennisball (Masse 0,003 kg, Durchmesser 3,8 cm), eine Stahlkugel (Masse 0,229 kg, Durchmesser 3,8 cm) und eine Holzkugel (Masse 0,035 kg, Durchmesser 4,4 cm). Sie durchfielen eine Strecke von ca. 2 m. Ihre Bewegung wurde mit einem Ultraschall-Entfernungsmesser (CBR) gemessen. Dieses Gerät befand sich senkrecht über dem Punkt, an dem die Kugel losgelassen wurde. Das Foto Abb. 1 zeigt den Versuchsaufbau im Treppenhaus der Schule. Der Entfernungsmesser befindet sich am linken Ende der Holzstange. Rechts erkennt man den Datenlogger (TI83).  Zur Zeit der Fotoaufnahme werden gerade die Daten des vorhergehenden Versuchs ausgelesen. Deshalb ist die Verbindung zwischen Entfernungsmesser und Datenlogger unterbrochen. Während einer Messung steckt das Kabel des Ultraschallgeräts natürlich in der Eingangsbuchse des Datenloggers.

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UKW-Rundfunksender arbeiten mit einer Frequenz von etwa 100 MHz. Es gibt aber auch „Radiowellen“ (elektromagnetische Schwingungen) mit sehr viel kleinerer Frequenz. Zum Beispiel 8 Hz – das heißt 8 Schwingungen in einer Sekunde. Sie werden Schumann-Resonanzen genannt, nach W. O. Schumann¹, der sie 1952 aufgrund theoretischer Rechnungen voraussagte.

Die Schumann-Resonanzen sind stehende Wellen, die sich zwischen der Erdoberfläche und der Ionosphäre ausbilden. Sie werden durch die Blitze der Gewitter angeregt, die ständig auf der Erde tätig sind. Ihre „Signalstärke“ ist verschwindend klein, ein Empfänger für diese Wellen muss also sehr empfindlich sein. Er ist aber einfach aufzubauen – zumindest dann, wenn es, wie in meinem Fall, nur um den Nachweis der Schumann-Resonanzen geht. Das Foto zeigt einen Probe-Aufbau meines Empfängers und der Antenne. Der Ausgang des Empfängers ist einem PC verbunden, der die „Sendungen“ des Gewitterfunks aufzeichnet. Der zeitliche Verlauf des gespeicherten Signals ist ein Wechselstrom, der sich kaum vom Rauschen eines ohmschen Widerstandes unterscheidet. Mit Hilfe eines FFT-Programms (FFT = Fast Fourier Transform) kann man dennoch feststellen, welche Frequenzen in diesem Signal vorhanden sind und sogar messen, mit welcher relativen Stärke das der Fall ist. Das Diagramm zeigt das Ergebnis der Fourieranalyse: auf einem Untergrund von Rauschen mehrere breite „Buckel“ und zwei scharfe Linien bei 16,7 und 50 Hz. Die breiten Buckel bei 8, 14, 20, 26 und 32 Hz sind die Schumann-Resonanzen, die scharfen Linien entsprechen den Frequenzen des Bahnstroms (16,7 Hz) und der Energieversorgung (50 Hz). Ich gebe zu, die Resonanzen sind nicht sehr ausgeprägt – es ging nur um deren Nachweis, nicht um eine quantitative Messung. Hier mehr über dieses Experiment.

Und auch noch etwas Theorie: Man kann beispielsweise berechnen, bei welchen Frequenzen die Gewitter auf „Sendung“ sind. Die Rechnungen erfordern etwas Mathematik².

¹ W. O. Schumann war Professor für Physik und Direktor des Elektrophysikalischen Instituts der TU München.

² Die Rechnungen sind Näherungslösungen. Auch diese mathematisch aufwändigere Rechnung ist noch eine Näherung.