Back to the Main Entrance

Measuring sonic speed "fictituous after Galilei"

by Klaus Kohl

The often (and sometimes wrong) reported experiment by Galilei to determine the speed of light
is modified to a suitable determination of sonic speed and thus becomes experienced.

In the "discorsi" Galilei describes how he ("Salviati") tried in vain to distinguish whether the "Illumination is instantaneous" or light needs time for spreading, similar to sound.

In an introducing course for physics in secondary schools we met the task:
"How fast does sound spread? A classmate has to position himself at a distance of exactly 500 m. He is to produce a crack, eg. by clashing two boards. At the moment you see the clash you start the timer and stop it, when you hear it. Now determine sonic speed. You may neglect the time light needs for 500 m." [Impulse Physik 1 S.125; Klett 1993]

As we discussed how to manage that: measuring a straight line of 500 m in our mountainous landscape, besides a foehn storm was roaring making boardclashing by a distance of half a kilometer in vain - I got the idea of modifying the Galilei experiment.

Groups of three were formed, two "batters" and a "counter". At first the two batters stay near, back to back but without touching. One claps his hands, when the other hears it he answers by clapping and this is continued. And the counter counts the claps during a fixed time (e.g. one minute). According to temper it will be about 75 to 90 times per minute. Then the two batters move on a measured distance (e.g.35 m) and the experiment is to be repeated (again without seeing each other). Obviously the rhythm goes slower, about 15 claps less per minute.
Of course this is not a precision work, the results had been in the range of 100m/s to 450 m/s (the first result by a distance of five steps!). But by a distance of exactly 500 m and pressing a stopwatch by "look and listen" you will only occasionally get the "Price list value" of 340 m/s. For pecisionwork the Kundt tube may be used later. Here I had other intentions:
It was Galilei - unable to measure light speed - but he detectet the moons of Jupiter. At their precise orbiting he saw the possibility of a "World time piece", indispensable to determine the east-west position by seafaring. Cassini and Olaf Roemer took the task to calibrate these observations - and Olaf Roemer detected this watch to go regularly wrong. After his first confusion he found out the reason: The changing distance between Jupiter and Earth was delaying the sight of the signal differently. A difference of 16 minutes would be possible according to the diameter of the orbit of the Earth. Since then it is common to know that sunlight needs about 8 minutes to reach us. And by that it is often neglected that Olaf Roemer was the first to construct the thermometer scale which Fahrenheit made common. But the story goes on: Fizeau improved the terrestrian measuring of light speed on Galilei's idea: The hand of the first lantern man was replaced by a fast rotating cogweel and the second man was just replaced by - a mirror! To enhance the sight over large distances, this idea was just adapted from Galilei.

--------
Here the Discorsi text, p. 39/40 of "Ostwald-Klassiker-Ausgabe" (I won't make a second translation):

SAGREDO: Aber welcher Art und wie groß dürfen wir die Lichtgeschwindigkeit schätzen? Ist die Erscheinung instantan, momentan, oder wie andere Bewegungen zeitlich? Ließe sich das experimentell entscheiden?

SIMPLICIO: Die alltägliche Erfahrung lehrt. dass die Ausbreitung des Lichtes instantan sei; wenn in weiter Entfernung die Artillerie Schießübungen anstellt, so sehen wir den Glanz der Flamme ohne Zeitverlust, während das Ohr den Schall erst nach merklicher Zeit vernimmt.

SAGREDO: Ei, Herr Simplicio, aus diesem wohlbekannten Versuche lässt sich nichts anderes schließen, als dass der Schall mehr Zeit gebraucht, als das Licht: aber keineswegs, dass das Licht momentan und nicht zeitlich, wenn auch sehr schnell sei. Auch eine andere, ähnliche Beobachtung lehrt nicht mehr: sofort wenn die Sonne am Horizonte erscheint, erblicken wir ihre Strahlen; aber wer sagt mir, dass die Strahlen nicht früher am Horizont, als in meinen Augen ankommen?

SALVIATI: Die geringe Entscheidungskraft dieser und anderer ähnlicher Vorgänge brachte mich auf den Gedanken, ob man nicht auf irgend eine Weise sicher entscheiden könne, ob die Illumination, d.h. die Ausbreitung des Lichtes wirklich instantan sei: denn schon die ziemlich rasche Fortpflanzung des Schalles läßt voraussetzen, dass die des Lichtes nur sehr schnell sein könne. Und der Versuch, den ich ersann, war folgender: Von zwei Personen hält eine jede ein Licht in einer Laterne oder etwas dem ähnlichen, so zwar, dass ein jeder mit der Hand das Licht zu- und aufdecken könne; dann stellen sie sich einander gegenüber auf in einer kurzen Entfernung und üben sich, ein jeder dem anderen sein Licht zu verdecken und aufzudecken; so zwar, dass wenn der Eine das andere Licht erblickt, er sofort das seine aufdeckt; solche Correspondenz wird wechselseitig mehrmals wiederholt, so dass bald ohne Fehler beim Aufdecken des Einen sofort das Aufdecken des Andern erfolgt und, wenn der eine sein Licht aufdeckt, er auch alsobald das des anderen erblicken wird. Eingeübt in kleiner Distanz, entfernen sich die beiden Personen mit ihren Laternen bis auf 2 oder 3 Meilen; und indem sie Nachts ihre Versuche anstellen, beachten sie aufmerksam, ob die Beantwortung ihrer Zeichen, in demselben Tempo wie zuvor, erfolge, woraus man wird erschließen können, ob das Licht sich instantan fortpflanzt; denn wenn das nicht der Fall ist, so müsste in 3 Meilen Entfernung, also auf 6 Meilen Weg hin und her, die Verzögerung ziemlich gut bemerkbar sein. Und wollte man den Versuch in noch größerer Entfernung anstellen, in 8 oder 10 Meilen, so könnte man Teleskope benutzen, indem man die Experimentatoren da aufstellt, wo man Nachts Lichter anzuwenden pflegt, die zwar in so großer Entfernung dem bloßen Auge nicht mehr sichtbar erscheinen, aber mit Hülfe fest aufgestellter Teleskope bequem zu- und aufgedeckt werden können.

SAGREDO: Ein schöner sinnreicher Versuch, aber, sagt uns, was hat sich bei der Ausführung desselben ergeben?

SALVIATI: Ich habe den Versuch nur in geringer Entfernung angestellt, in weniger als einer Meile, woraus noch kein Schluß über die Instantaneität des Lichtes zu ziehen war; aber wenn es nicht momentan ist, so ist es doch sehr schnell, ja fast momentan, und ich würde es vergleichen mit dem Blitze, den wir 8 bis 10 Meilen weit zwischen den Wolken sehen; hier können wir den Anfang unterscheiden, ja geradezu die Quelle, an einem bestimmten Orte zwischen den Wolken; und wenn auch unmittelbar darauf die rascheste Ausbreitung statthat in den umgebenden Wolken, so erkennt man doch einen zeitlichen Vorgang; denn wenn die Erleuchtung überall zugleich und nicht folgweise stattfände, so könnten wir schwerlich den Ursprung unterscheiden, das Centrum seiner Bahnen und der Ausläufer.

Published by the centenary of Martin Wagenschein's birthday in:
MNU 49/8 Dec. 1, 1996 p. 466-468
Ferd. Dümmler Verlag Bonn