¿Por qué aumenta el tono del sonido en cada tic consecutivo en el fondo de una taza de café llena?

Como no conozco los términos físicos apropiados para esto, lo describo en inglés cotidiano. Lo siguiente me ha mantenido preguntándome durante bastante tiempo y hasta ahora no he encontrado una explicación razonable.

Cuando llenas una taza de cerámica con café y haces clic con la cuchara en la parte inferior (desde arriba, a través del café), cada tic siguiente, incluso cuando hagas una pausa de unos segundos, tendrá un tono más alto. Lo siguiente que he observado hasta ahora:

  • funciona mejor con café que con té (funciona casi nada con té)
  • funciona mejor con capuchino que con café normal
  • no funciona solo con agua fria
  • Funciona mejor con vasos de cerámica, pero algunos vasos de plástico parecen tener el mismo comportamiento, aunque más débil.
  • no funciona en todos los tipos de tazas, las tazas más altas parecen funcionar mejor
  • debe tener una cantidad sustancial de líquido (solo una gota no lo hace cantar).

Debe ser algo con el tipo de líquido, o la leche. Acabo de verter agua en una taza a la que solo le quedaba un poco de esponjoso de un capuchino anterior, y todavía funcionó. Luego lo limpié y lo llené de nuevo con agua del grifo y ahora ya no funcionaba.

¿Alguien puede explicar este comportamiento?

Estoy un poco confundido acerca de lo que está pasando aquí. ¿Estás golpeando el fondo de la taza de café con una cuchara? ¿En el mismo lugar cada vez?
@moscas: exactamente eso. Pero el "mismo lugar" puede ser tan ancho como todo el fondo de la taza de café, pero parece funcionar mejor cerrado por la mitad. Tienes que esperar un tiempo relativamente largo para que el tono no aumente.
Creo que entiendo lo que estás diciendo ahora. Estás diciendo que, si eliges un punto en la parte inferior y tocas solo allí, verás este efecto, pero el efecto es más fuerte cuando estás cerca del medio. La razón por la que pregunto es que si mueve la cuchara, golpeando la taza de café en diferentes lugares, esperaría un cambio en los tonos. (Por ejemplo, si golpea un tambor en el centro de la piel, obtiene un sonido más profundo que si golpea el tambor cerca del borde. El mismo principio se aplica a los cuerpos rígidos).
@moscas: veo tu punto. Pero el tono se vuelve más alto, ¡y en conjunto bastante más alto! — cada vez que toca fondo en (más o menos) el mismo lugar y no tengo idea de por qué. Cuando espera un momento y vuelve a hacer clic, el tono grave original vuelve.
Mi única suposición es que las ondas de sonido viajan más rápido a través del café cuando está turbulento (como cuando mueves una cuchara para golpear la taza) que cuando se mueve lentamente/suavemente. Si es cierto, eso parecería explicar el efecto, pero no tengo ni idea de por qué el café turbulento transmitiría las ondas de sonido más rápido. Dudaría en descartar factores de confusión, como si golpeas la taza de café con más frecuencia, también podrías golpearla con más fuerza, lo que también podría cambiar el tono.
@moscas: verá exactamente el mismo efecto al hacer clic lenta y suavemente con poco movimiento. Al hacer mucho movimiento (agitación), el efecto parece más bien menos que más, pero no estoy seguro. Pruébelo usted mismo (espero que le guste el café).
Otra conjetura podría ser la reología del café como en el comportamiento no newtoniano.
Bueno, creo que describiste muy bien los fenómenos: la buena física no tiene que venir en ecuaciones, recuerda Faraday. En cuanto al problema en cuestión, diría que la diferencia de densidades de los fluidos explica las diferentes propiedades de descarga. En cuanto a por qué puede excitar los armónicos más altos del contenedor de fluidos, iré a prepararme una taza de café y lo comprobaré.
La frecuencia es una función de la velocidad del sonido, que a su vez depende de la fracción de burbujas de aire. ver esta respuesta

Respuestas (4)

Creo que estás observando " el efecto chocolate caliente " o algo similar. Véase Crawford, am. J. física. 50, 398 (1982). Tengo que confesar que no he leído el documento con suficiente detalle para resumirlo adecuadamente.

Resumen:

El ''efecto chocolate caliente'' se investigó cuantitativamente utilizando agua. Si un cilindro de vidrio alto se llena casi por completo con agua y se golpea en el fondo con un mazo blando, se puede detectar el modo longitudinal más bajo de la columna de agua, para el cual la altura de la columna de agua es un cuarto de longitud de onda. Si el cilindro se llena rápidamente con agua corriente caliente que contiene aire disuelto, el tono de ese modo puede descender casi tres octavas durante los primeros segundos a medida que el aire sale de la solución y forma burbujas. Luego, el tono sube gradualmente a medida que las burbujas flotan hacia la parte superior. Se deriva una expresión teórica simple para la relación de paso y se compara con el experimento. El acuerdo es bueno dentro del 10% de precisión de los experimentos.

Después de leer un poco con esas palabras clave, parece lo mismo. Wikipedia tiene un buen enlace a esta presentación de Powerpoint de BW Carroll y MB More.
Fantástico, siempre quise saber cómo funciona!!

Lo noté por primera vez en una taza caliente de Horlicks, hecha con leche. Revolvía vigorosamente el polvo, luego golpeaba el fondo de la taza con la cuchara para verificar que todo el polvo se hubiera disuelto. Incluso dos toques, con un segundo de diferencia, son suficientes para detectar el tono ascendente. Continúa subiendo y subiendo en el transcurso de, quizás, 20 segundos.

Lo interesante es que puedes hacer que el tono baje de nuevo agitándolo de nuevo. Parece que el tono está directamente relacionado con la velocidad a la que gira la leche.

Si no agito y toco el fondo, el tono sube. Si agito mucho y empiezo a hacer tapping, el tono es bajo y luego sube. Cuando espero lo suficiente y hago tapping, el tono es bajo y luego sube. Realmente no veo una relación ya que el fluido puede estar tanto en movimiento como quieto cuando el tono es bajo.
Las longitudes de onda del sonido producido están relacionadas con las dimensiones de la taza y cuánto se llena. Las burbujas en el fluido reducen la velocidad del sonido, lo que reduce la frecuencia. La subida y bajada del tono está relacionada con la producción y destrucción de las diminutas burbujas.

Hice esta animación para explicar este concepto.

Pero déjame responder algunas de tus preguntas.

  • funciona mejor con café que con té (funciona casi nada con té) funciona mejor con capuchino que con café normal

Dado que el efecto se debe al aire atrapado en el polvo, la razón por la que no siempre obtendrá el mismo efecto es la cantidad de aire atrapado en el polvo en producción y la rapidez con la que se libera cuando se mezcla con agua caliente. .

  • no funciona solo con agua fria

El agua fría no disolverá el polvo. Al menos no lo suficientemente rápido y, por lo tanto, el aire no se disolverá en el sistema. Puede ver si vierte agua fría sobre el café en polvo, grandes trozos de café flotan.

  • no funciona en todos los tipos de tazas, las tazas más altas parecen funcionar mejor

No estoy muy seguro de esto, pero la ecuación que describe la frecuencia en el sistema es: F = 1 4 ⋅ v h donde v es la velocidad de propagación y h es la altura de la copa. Creo que es más fácil distinguir este efecto con una frecuencia más baja (copa grande) ya que la frecuencia ya es bastante alta para las copas.

¡Muy buena animación! Te puede interesar esta respuesta
¡Gracias @Floris, fue una lectura muy interesante! Bien hecho señor

Mi suposición siempre ha estado relacionada con la cantidad de sólidos disueltos. No creo que sea solo leche. He notado el mismo fenómeno al disolver gelatina en agua caliente. El tono aumenta en relación con la homogeneidad de la mezcla. Pruébelo usando agua y gelatina según las instrucciones de la caja, pero en un recipiente de mezcla de pyrex transparente... puede ver que los dos productos se convierten en una solución y la parte inferior de la copa de medición es bastante uniforme. Parece que el tono deja de aumentar una vez que la mezcla se vuelve muy uniforme.

¿Por qué aumenta el tono del sonido en cada tic consecutivo en el fondo de una taza de café llena?
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