Ämpäristä ja putkesta tiedelabra! Äänen aallonpituuden mittaaminen älypuhelimella (ilmapatsaan resonanssikoe)

Tiedekouluttaja Ken Kuwako täällä. Joka päivä on koepäivä.

Tällä kertaa esittelen kokeen, jossa tutkitaan äänen resonanssi-ilmiötä iPhone-sovelluksen AƒG – Audio Function Generator avulla. Tämän kokeen kautta oppilaat pääsevät konkreettisesti kokemaan äänen aallonpituuden ja taajuuden välisen yhteyden, ja he voivat jopa laskennallisesti johtaa tämän yhteyden – kaikki tämä samalla, kun fysiikan perusteiden opiskelu muuttuu hauskaksi. Ja mikä parasta, kaikki tarvittava löytyy jo läheltäsi. Tämän kokeen voi ottaa käyttöön luokkahuoneessa jo huomenna.

Mitataan äänen aallonpituus resonanssin avulla!

Tässä kokeessa hyödynnetään ”resonanssia” – ilmiötä, jossa ääni kuuluu erityisen voimakkaana tietyissä olosuhteissa. Resonanssi on erittäin tärkeä ilmiö aaltoliikkeen ymmärtämisen kannalta. Kun saamme äänen resonoimaan akryyliputkessa, joka on upotettu veteen, voimme havainnoida äänen aallonpituuden visuaalisesti ja laskea äänen taajuuden.

Tarvitset seuraavat:

• Akryyliputki: noin 50 cm pitkä putki sopii hyvin. Näitä löytyy rautakaupoista noin 800 jenin hintaan. Jos putken sisähalkaisija on liian suuri, resonanssia on vaikeampi saada aikaan – valitse siis kapeampi putki.
• iPhone: johon on asennettu sovellus ”AƒG – Audio Function Generator”. (Yksi puhelin per ryhmä riittää hyvin. Kannattaa pyytää oppilaita asentamaan sovellus etukäteen, jotta kokeen aloittaminen sujuu jouhevasti.)
• Vesiallas: tarpeeksi syvä, jotta akryyliputki mahtuu siihen pystyasennossa ja vettä on riittävästi.
• Tarra tai huopakynä: näillä merkitään resonanssikohdat. Jos käytössä on putkeen kiinnitettävä mittanauha, pituuden mittaaminen käy entistäkin tarkemmin.

Kokeen kulku:

1. Sovelluksen asennusohje: Pyydä oppilaita asentamaan ”AƒG – Audio Function Generator” -sovellus omiin iPhoneihinsa etukäteen. Jos koe tehdään kotona, tätä vaihetta ei tarvita.
2. Täytä vesiallas: Täytä allas vedellä ääriään myöten. Pidä vedenpinta mahdollisimman tyynenä.
3. Aseta akryyliputki paikoilleen: Aseta akryyliputki pystysuoraan altaaseen. Varmista, ettei putki kaadu.
   
4. Kiinnitä iPhone ja soita ääntä: Käynnistä ”AƒG”-sovellus iPhonessa ja valitse sopiva taajuus (esim. 400–800 Hz väliltä). Kiinnitä iPhone putken yläpäähän niin, että äänilähde osoittaa putken suuaukkoa kohti.
   
   
5. Etsi resonanssikohta (1. kerta): Pidä iPhonea kiinni putkessa ja liikuta sitä hitaasti ylös ja alas. Kuuntele tarkasti, löytyykö kohta, jossa ääni yhtäkkiä voimistuu selvästi. Tämä on äänen ”resonanssikohta”.
   
6. Merkitse resonanssikohta (1. kerta): Kun löydät kohdan, jossa ääni on voimakkaimmillaan, mittaa etäisyys vedenpinnan ja putken yläreunan välillä. Merkitse tämä kohta tarralla tai huopakynällä.
7. Etsi resonanssikohta (2. kerta): Liikuta putkea edelleen ylös ja alas ja etsi toinen kohta, jossa ääni voimistuu. Tämän pitäisi sijaita alempana kuin ensimmäinen löytämäsi resonanssikohta.
8. Merkitse resonanssikohta (2. kerta): Kun toinen resonanssikohta löytyy, merkitse myös se samalla tavalla.
9. Mittaa aallonpituus: Mittaa etäisyys kahden resonanssikohdan (tarrojen) väliltä. Tämä etäisyys vastaa tarkalleen puolta äänen aallonpituudesta (λ / 2$）に相当します。したがって、測定した距離を2倍すれば、その音の波長$. Kertomalla mitatun etäisyyden kahdella saat siis selville äänen aallonpituuden λ.

[Tietovisa] Onko ilma hieman ”yli”? Suuaukkokorjauksen mysteeri

Kun teet tämän kokeen, huomaat pian mielenkiintoisen ristiriidan: ”laskennallinen aallon pituus” ei täsmää täysin ”putken todellisen pituuden” kanssa.
Eräässä ryhmässä resonanssi havaittiin putken suulta mitattuna 0,415 metrin kohdalla. Kun ryhmä mittasi kahden resonanssikohdan välisen etäisyyden (puoli aallonpituutta) ja laski sen perusteella aallonpituuden, tulokseksi saatiin 0,34 metriä.
Tämän tiedon avulla voimme päätellä, millainen seisova aalto putkessa muodostuu, ja laskea niin sanotun suuaukkokorjauksen.
Vihje: Jos aallonpituus on 0,34 metriä, perustaajuuden (1/4 aallonpituudesta) pituus on 0,34 ÷ 4 = 0,085 metriä. Tämän kokeen resonanssikohta 0,415 m on lähellä lukua, joka on noin viisi kertaa 0,085 m (eli 0,425 m). Tämä viittaa siihen, että kyseessä on viidenkertainen värähtely (kolmas resonanssikohta).
Mutta laskennallisen 0,425 metrin sijaan mitattu arvo oli vain 0,415 metriä. Juuri tämä ero on se osa, jossa ääni ”työntyy” hieman putken suuaukon ulkopuolelle värähdellessään – tätä kutsutaan suuaukkokorjaukseksi.
0,425 m − 0,415 m = ???
Mikäs on vastaus senttimetreinä? (Vastaus on 1 cm!) Tällä tavoin, yhdistämällä mitatut arvot ja teoreettiset laskelmat, voimme mitata jopa silmälle näkymättömän ilman ”ylivenymän” – juuri tämä on fysiikan kokeiden hienointa antia.

Äänen nopeuden laskeminen ja taajuuksien vertailu

Mittaa ensin kokeen suorituspaikan lämpötila. Käytä sitten seuraavaa kaavaa laskeaksesi äänen nopeuden $v$ kyseisessä lämpötilassa: $v=331.5+0.6t$ (jossa $t$ on lämpötila Celsius-asteina). Lopuksi käytä saatua äänen nopeutta $v$ ja mitattua aallonpituutta $\lambda$ laskeaksesi äänen taajuuden $f$ seuraavan kaavan avulla: $v=f\lambda$, josta saadaan $f=v/\lambda$.
Vertaa tätä laskennallista taajuutta iPhonen ”AƒG”-sovellukseen asetettuun taajuuteen. Niiden pitäisi olla lähes samat.

Miksi resonanssi syntyy?

Tämä koe hyödyntää suljetun putken resonanssia. Kun äänen aalto heijastuu vedenpinnasta, putkeen syntyy seisova aalto. Seisova aalto on aalto, joka näyttää pysyvän paikallaan etenemättä – tietyissä kohdissa (solmukohdissa) värähtely on lähes olematonta, kun taas toisissa kohdissa (kuvunkohdissa) värähtely on voimakasta.
Tässä kokeessa putken suuaukko toimii ”kuvunkohtana” (voimakas värähtely) ja vedenpinta ”solmukohtana” (lähes ei värähtelyä). Yksinkertaisin resonanssin muoto syntyy, kun putken pituus on $1/4$ aallonpituudesta. Seuraava resonanssi syntyy, kun pituus on $3/4$ aallonpituudesta, sitten $5/4$… ja niin edelleen – resonanssi syntyy aina aallonpituuden parittomilla kertoimilla.
Tässä kokeessa löydetyt kaksi resonanssikohtaa vastaavat putken pituuksia λ/4 ja $3\lambda /4$. Näiden kahden resonanssikohdan välinen etäisyys on juuri (3λ/4) − (λ/4) = 2λ/4 = λ/2, joten kaksinkertaistamalla tämän etäisyyden saadaan tarkka aallonpituus.

Miten oppilaat oikeasti reagoivat luokassa

Kun kokeilimme tätä käytännössä, oppilaat asensivat innoissaan äänigeneraattorisovelluksen ja etsivät ryhmissä resonanssikohtia täydellä keskittymisellä. ”Täällä ääni voimistuu!” -huudahduksia kuului joka puolelta, ja kun oppilaat itse mittasivat aallonpituuden ja laskivat siitä taajuuden, joka osui lähes tarkalleen sovellukseen asetettuun arvoon, ilo ja onnistumisen tunne olivat käsin kosketeltavia.
Yllätys siitä, että ”puhelimella voi tehdä tällaistakin”, ja oivallus siitä, että ”arkiset esineet liittyvät tieteeseen”, herättävät varmasti oppilaissa suurta uteliaisuutta. Yksi puhelin per ryhmä riittää, joten valmisteluihin ei mene paljon aikaa.

Kokeiluvälineen kehitystarina: näin syntyi KW-1

Itse asiassa juuri tämä käsintehty resonanssikoe johti yhteistyöhön oppimateriaaliyrityksen Narikan kanssa, jonka tuloksena syntyi ilmapatsaan resonanssilaite ”KW-1”. Kun esittelin Narika Science Academyssa (NSA) koetta, jossa käytin ämpäriä ja PVC-putkea, Narikan henkilökunta sattui seuraamaan esitystä. He ajattelivat, että kokeesta voisi tehdä vielä helpomman toteuttaa, ja ryhtyivät kehittämään laitetta.
Muuten, laitteen nimi ”KW” on muka leikkimielisesti annettu sukunimeni ”Kuwako” mukaan. Arkinen, käsin tehty koe johti odottamattomalla tavalla varsinaisen opetusvälineen syntyyn – tällaiset kohtaamiset ovat mielestäni yksi tieteen parhaista puolista.

【開発】バケツと塩ビパイプから生まれた発明 気柱共鳴装置KW-1誕生秘話

Yhteystiedot ja yhteydenotot

Tuodaan tieteen ihmeet ja hauskuus lähemmäs arkea! Täältä löydät helposti ymmärrettäviä vinkkejä ja hauskoja tieteellisiä kokeita, joita voi tehdä kotona. Käy tutustumassa!
・Tiedevihkosen sisältö on nyt julkaistu kirjana. Lisätietoja täältä
・Lisätietoa sivuston ylläpitäjästä Ken Kuwakosta täältä
・Erilaiset toimeksiannot (kirjoitustyöt, luennot, kokeilutyöpajat, TV-konsultointi, esiintymiset yms.) täältä
・Seuraa artikkelipäivityksiä X:ssä!

Tiedejuttukanavalla julkaistaan koevideoita!

７月のイチオシ実験！

夏でプシュッと爽やか実験！

小型で持ち帰れるよ！ペットボトルロケットを作ろう！

テレビ番組監修・イベント等のお知らせ

• 時速２００ｋｍで走るランボルギーニが、長さ１２ｍのテーブルクロスを一瞬で引き抜く——そんな常識破りの実験が、ふたたびテレビの世界で大きな話題になりました。しかも今回は「視聴者が選ぶワクワク実験ランキング」で、なんと堂々の第１位を獲得したのです。Tverでまだ見ることができるのでぜひご覧ください。

  

• 7月18日（土）　教員向け実験講習会「ナリカカサイエンスアカデミー」の講師をします。お会いしましょう。
• 12月26日（土）　ナリカサイエンスアカデミー（教員向け実験講習会）開催

書籍のお知らせ

• ７月16日発売　『高校入試 分解問題集 理科』（学研）…難しい問題も小さな問題に分解することで、問題を解くことができます。そんな分解の技術が身につくように深く関わりを持って作りました。
  
• 『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
  
  
• 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）…　高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。
  

各種SNS（更新情報をお届け！）

【日本語】X(Twitter)／instagram／Facebook　【英語】BlueSky／Threads

Explore

• 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
• 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
• Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
• 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
• 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
• About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
• お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。

 

• 
  ”Neutraloinnin” synnyttämä taianomainen valkoinen sameus: Kalkkiveden ja hiilidioksidin yllättävä kemiallinen reaktio2026年7月6日
• 
  Ämpäristä ja putkesta tiedelabra! Äänen aallonpituuden mittaaminen älypuhelimella (ilmapatsaan resonanssikoe)2026年7月5日
• 
  Miksi vatsa ei sulata itseään? Mitä 170 vuotta sitten sattunut räjähdysonnettomuus paljasti（Video: ”Ihmiskehon ruoansulatuksen ihme”）2026年7月4日
• 
  Näin rakennukset taistelevat maanjäristyksiä vastaan! Kaikki nesteytymisestä heiluriväsyttimiin selitettynä [Miraikan]2026年7月3日
• 
  Näe näkymätön sähkö! Kelan salaperäinen vaihe-ero2026年7月2日
• 
  Lyöntien määrä ja vahinko eivät ole sama asia! Becquerelit ja sievertit nyrkkeilyn kautta2026年7月1日
• 
  Kaada vettä ja kuutio ilmestyy tyhjästä！ CMY-vesilaatikon värien vähennyslaskun ihme2026年6月30日
• 
  Laite, joka näyttää äänen silmillesi — Styroksipalat leijuvat ilmassa Kundtin putkessa2026年6月29日
• 
  Kytkin poikki, mutta se ei pysähdy！Kelan sähkövärähtelyn salaisuus paljastuu sensorilla (EasySense V-Hub)2026年6月28日