Труба рубенсу власноруч. Робимо вогняну трубу або трубу рубенсу

Відрізок труби перфорований по всій довжині. Один кінець підключається до невеликого динаміка, а другий - до джерела пального газу (балону з пропаном). Труба заповнена пальним газом, так що газ, що просочується через отвори, горить. Якщо використовується стала частота, то в межах труби може сформуватися стояча хвиля. Коли динамік увімкнений, у трубі формуються області підвищеного та зниженого тиску. Там, де завдяки звуковим хвиль знаходиться область підвищеного тиску, через отвори просочується більше газу і висота полум'я більше. Завдяки цьому можна виміряти довжину хвилі, просто вимірюючи рулеткою відстань між піками.

Історія

Напишіть відгук про статтю "Труба Рубенса"

Примітки

Посилання

• включно з board і microphone.
• , video & detailed analysis
• setup and explanation of effects
• guide
• setup guide
• on Rubens" original design (in .doc format)
• showing setup
• information
• , під «Links» heading & very nice photo illustrating цей experiment
• , home video showing різні tones and music being played (2:51)
• , Ruben’s Tube performance by Alyce Santoro
• , Експеримент із трубою Рубенса (російські субтитри)

Уривок, що характеризує Труба Рубенса

Труба заповнена пальним газом, так що газ, що просочується через отвори, горить. Якщо використовується стала частота, то в межах труби може сформуватися стояча хвиля. Коли динамік увімкнений, у трубі формуються області підвищеного та зниженого тиску. Там, де завдяки звуковим хвиль знаходиться область підвищеного тиску, через отвори просочується більше газу і висота полум'я більше. Завдяки цьому можна виміряти довжину хвилі, просто вимірюючи рулеткою відстань між піками.

Для експерименту знадобиться

Стадії експерименту

1. Розмічаємо та свердлимо отвори в алюмінієвій трубі.
2. Розрізаємо пластикову вирву навпіл.
3. Одну частину вирви кріпимо до труби за допомогою армованого скотчу.
4. Другу частину вирви кріпимо до колонки за допомогою клейового термо-пістолета.
5. Кріпимо за допомогою армованого скотчу алюмінієву трубу до колонки. Зроблені в трубі отвори мають бути зверху.
6. Підключаємо газовий балон до труби за допомогою шланга.
7. Відкриваємо балон і підпалюємо газ, що виходить з отворів у трубі.
8. Включаємо генератор звукової частоти та подаємо звук на динамік. З частотою звуку можна експериментувати.

Кудашов О.О. (м. Кузнецьк, МБОУ середньої загальноосвітньої школи №14)

1. "Фізика 9" А.В. Перишкін, Е.М. Гутник.

2. "Фізика 11" Г.Я. Мякішев, Б.Б. Буховцев та № 8622/0790 інші.

3. URL: https://ua.wikipedia.org/wiki/Труба_Рубенса.

4. URL: https://ua.wikipedia.org/wiki/Стояча _хвиля.

5. URL: http://bourabai.ru/physics/sound.html.

Щодня кожен з нас, людей, піддається впливу багатьох факторів. Це запахи, теплова дія, випромінювання різних приладів, і, звичайно, звуки. Звуки оточують нас всюди, найчастіше ми не можемо їх вибирати - шум машин, робіт на будівництві, чия мова або нав'язлива музика. Кожен із звуків несе у собі певну інформацію і людина по-різному реагує них. Тому вивчення природи звуку - одна з важливих та цікавих частин фізики. При вивченні механічних хвиль їх, можливо, уявити, а звукові хвилі представляють як абстрактну модель.

Звукові хвилі - це коливання частинок повітря, які поширюються на всі боки від місця виникнення звуку.

Теорія звуку говорить: якщо якесь фізичне тіло здійснює коливальні рухи - струна гітари, голосова зв'язка, пружна пластина з металу - неважливо що, воно поширюватиме навколо себе такі ж коливання.

Нас зацікавило питання, чи справді звукова хвиля має хвилеподібну форму, а якщо це так, то як це уявити наочно?

Рішення відображення звукової хвилі насправді ми знайшли у досвіді німецького фізика-експериментатора Генріха Рубенса під назвою «Труба Рубенса».

Хвиля - збудження середовища, що поширюється у просторі та часі або у фазовому просторі з перенесенням енергії та без перенесення маси. Іншими словами, хвилями або хвилею називають просторове чергування максимумів і мінімумів будь-якої фізичної величини, що змінюється згодом - наприклад, щільності речовини, напруженості електричного поля, температури.

Хвилі бувають різних видів:

Якщо хвилі частки середовища відчувають зміщення у напрямі, перпендикулярному напрямку поширення, то хвиля називається поперечної;

Якщо зміщення частинок середовища відбувається у напрямі поширення хвилі, то хвиля називається поздовжньою.

Як у поперечних, і у поздовжніх хвилях перенесення речовини у напрямі поширення хвилі немає.

У процесі поширення частки середовища лише роблять коливання біля положень рівноваги. Однак хвилі переносять енергію коливань від однієї точки середовища до іншої. Характерною особливістю механічних хвиль є те, що вони поширюються у матеріальних середовищах (твердих, рідких чи газоподібних). Існують хвилі, які здатні поширюватись і в порожнечі (наприклад, світлові хвилі). Для механічних хвиль обов'язково потрібне середовище, що має здатність запасати кінетичну та потенційну енергію. Отже, середовище повинно мати інертні та пружні властивості. У реальних середовищах ці властивості розподілені у всьому обсязі. Так, наприклад, будь-який малий елемент твердого тіла має масу та пружність.

Значний інтерес для практики становлять прості гармонійні або синусоїдальні хвилі. Вони характеризуються амплітудою (A) коливань частинок, частотою (f) та довжиною хвилі (?).

Довжиною хвилі -називають відстань між двома сусідніми точками на осі OX, що коливаються в однакових фазах.

Відстань, що дорівнює довжині хвилі?, хвиля пробігає за час, що дорівнює періоду коливань (Т), отже, = T, де - швидкість поширення хвилі.

Звук - фізичне явище, що є поширенням у вигляді пружних хвиль механічних коливань у твердому, рідкому або газоподібному середовищі.

Звукові хвилі можуть бути прикладом коливального процесу. Будь-яке коливання пов'язане з порушенням рівноважного стану системи і виявляється у відхиленні її показників від рівноважних значень з подальшим поверненням до вихідного значення. Для звукових коливань такою характеристикою є тиск у точці середовища, яке відхилення - звуковим тиском.

Якщо зробити різке зміщення частинок пружного середовища одному місці, наприклад, з допомогою поршня, то цьому місці збільшиться тиск. Завдяки пружним зв'язкам частинок, тиск передається на сусідні частки, які, у свою чергу, впливають на наступні, і область підвищеного тиску як би переміщається в пружному середовищі. За областю підвищеного тиску слідує область зниженого тиску, і, таким чином, утворюється ряд областей стиснення і розрідження, що чергуються, що поширюються в середовищі у вигляді хвилі. Кожна частка пружного середовища в цьому випадку буде здійснювати коливальні рухи.

У рідких та газоподібних середовищах, де відсутні значні коливання щільності, акустичні хвилі мають поздовжній характер, тобто напрям коливання частинок збігається з напрямом переміщення хвилі. У твердих тілах, крім поздовжніх деформацій, виникають також пружні деформації зсуву, що зумовлюють порушення поперечних хвиль; у цьому випадку частинки здійснюють коливання перпендикулярно до напряму поширення хвилі.

Швидкість поширення поздовжніх хвиль значно більша за швидкість поширення зсувних хвиль.

Стоячі хвилі

Стояча хвиля - коливання в розподілених коливальних системах з характерним розташуванням максимумів, що чергуються, і мінімумів амплітуди. Практично така хвиля виникає при відбиття від перешкод і неоднорідностей в результаті накладання відбитої хвилі на падаючу. При цьому вкрай важливе значення має частота, фаза та коефіцієнт загасання хвилі в місці відображення. Так само стоячою хвилею називається хвиля, що утворюється в результаті накладання двох синусоїдальних хвиль, що біжать, які поширюються назустріч один одному і мають однакові частоти і амплітуди, а в разі поперечних хвиль ще й однакову поляризацію. Прикладами стоячої хвилі можуть бути коливання струни, коливання повітря в органній трубі.

Стоячі хвилі утворюються при накладенні двох хвиль, що біжать, що поширюються назустріч один одному з однаковими частотами і амплітудами. Майже стоячі хвилі з'являються при відображенні від перешкод.

Чисто стояча хвиля, строго кажучи, може існувати тільки за відсутності втрат у середовищі та повному відображенні хвиль від кордону. Зазвичай, крім стоячих хвиль, в середовищі присутні і хвилі, що біжать, підводять енергію до місць її поглинання або випромінювання.

У разі гармонійних коливань в одновимірному середовищі стояча хвиля описується формулою u = u0cos kx cos(?t -), де u - обурення в точці х в момент часу t, u0 - амплітуда стоячої хвилі - частота, k - хвильовий вектор, ? - Фаза.

Стоячі хвилі є розв'язками хвильових рівнянь. Їх можна уявити як суперпозицію хвиль, які поширюються у протилежних напрямах .

При існуванні серед стоячої хвилі, існують точки, амплітуда коливань у яких дорівнює нулю. Ці точки називаються вузлами стоячої хвилі. Крапки, у яких коливання мають максимальну амплітуду, називаються пучностями.

Фізичний досвід

Джон Ле Конт (John Le Conte) відкрив чутливість полум'я до звуку у 1858 році. У 1862 році Рудольф Кеніг показав, що висоту полум'я можна змінювати, посилаючи звук у джерело газу, і зміни в часі можуть бути відображені за допомогою дзеркал, що обертаються. Август Кундт в 1866 році продемонстрував акустичні стоячі хвилі, поміщаючи насіння плауна або кірковий пил у трубу. Коли в трубу був запущений звук, то з насіння сформувалися вузли (крапки, де амплітуда мінімальна) та пучності (анти-вузли – області, де амплітуда максимальна), сформовані стоячою хвилею. Пізніше вже в XX столітті Бен (Behn) показав, що маленьке полум'я може служити чутливим індикатором тиску. Нарешті, в 1904 році, використовуючи ці два важливі експерименти, Генріх Рубенс, на чию честь назвали цей експеримент, взяв 4-метрову трубу, просвердлив у ній 200 маленьких отворів з кроком 2 см і заповнив її горючим газом. Після підпалювання полум'я (висота вогників приблизно однакова по всій довжині труби), він помітив, що звук, підведений до кінця труби, створює хвилю, що стоїть, з довжиною хвилі, еквівалентної довжині хвилі підводиться звуку. Кригар – Менцель (O. Krigar – Menzel) допомагав Рубенсу з теоретичною стороною явища.

Генріх Рубенс – німецький фізик-експериментатор, автор наукових праць з оптики, спектроскопії, фізики теплового випромінювання.

Труба Рубенса – фізичний експеримент з демонстрації стоячої хвилі, заснований на зв'язку між звуковими хвилями та тиском повітря (або газу).

Мал. 1. Генріх Рубенс

Ми повторили досвід Рубенса. Для цього нам знадобилося: метрова металева труба, звуковий динамік, балончик із газом (пропан).

У металевій трубі було просвердлено отвори діаметром 1,4 мм через кожен сантиметр. До труби з одного боку було підведено газ, з другого звуковий динамік. Всі елементи з'єднані герметично, щоб виключити просочування газу.

Змінюючи кількість газу, що подається, і рівень звуку, домоглися хвилеподібної картинки.

Ми з'ясували, що якщо використовувати звук із постійною частотою, то в межах труби може сформуватися стояча хвиля з вогників. Це викликано тим, що коли динамік увімкнений, у трубі формуються області підвищеного та зниженого тиску. Там, де область підвищеного тиску через отвори просочується більше газу і висота полум'я більше і навпаки. Завдяки цьому можна виміряти довжину хвилі просто вимірюючи лінійкою відстань між піками.

Порівняємо теоритичні та практичні значення довжини хвилі.

Нагадаємо, що довжиною хвилі називають відстань між двома найближчими один до одного точками, що коливаються в однакових фазах. Розраховувати довжину хвилі ми за формулою:

де – швидкість руху звукової хвилі, v – частота.

900 Гц 1000 Гц

Так як у нас у трубі знаходиться пропан, то швидкість руху звуку розраховуватиметься за формулою:

де показник адіабати (для багатоатомних газів показник адіабати дорівнює 4/3), R - універсальна постійна газова, рівна 8,31 Дж/(моль.К), T = 273 К, так як досвід проводився за нормальних умов, молярна маса пропана дорівнює 44,1.10-3 кг/моль.

Підставити всі значення у формулу розрахунку швидкості звуку в газі отримаємо:

За результатами вимірювань та розрахунків складемо таблицю.

Під час обчислень можливі похибки, що виникають під час заокруглення. Так само газ пропан, який використовував досвід, міг містити домішки, температура газу під час досвіду могла змінюватися, неточність отворів у трубі.

Висновок

Завдяки досвіду Рубенса стало можливим уявлення звукової хвилі на реальному прикладі, цим стало можливим доказ теорем і гіпотез, ґрунтуючись на практиці.

Так само, досвід з трубою Рубенса можна використовувати в школах на уроках фізики для більш наочного представлення звукової хвилі, з дотриманням усіх вимог техніки безпеки.

Бібліографічне посилання

Представляємо вашій увазі цікаву ідею з виготовлення вогняної труби або труби Рубенса, як її багато хто називає.

Що нам знадобиться:
- потужний підсилювач;
- дроти для підключення телефону та динаміка до підсилювача;
- клейовий пістолет;
- динаміки;
- пластмасова трубка;
- газовий балон;
- Насадка на газовий балон;
- свердла;
- Пластмасова ємність;
- алюмінієва труба завдовжки приблизно метр.

Після цього додаємо динамік до алюмінієвої трубки. Можна не переживати, що динамік та гарячий клей можуть розплавитися, оскільки вогонь не доходитиме до цієї частини.

З іншого боку, товсту пластмасову трубку натягуємо на алюмінієву так, щоб вона добре трималася.

Насадку для газового балончика підключаємо до самого балона. Зазначимо, що автор ідеї не радить експериментувати з цією

Датчани з Fysikshow об'єднали давно відомі експерименти: фігури Холодні та трубу Рубенса – і зробили двовимірну трубу Рубенса. Це дивовижне видовище!

Фігури Холодні

Коротко про принцип дії: в коробку направлений вихід гучномовця, і в ній порушуються стоячі хвилі. Щоб хвиля була стоячою - у довжину коробки має укладатися ціле число довжин напівхвиль, тоді така хвиля накладається сама на себе і виникає резонанс, і вона називається модою. У стоячій хвилі виділяють пучність (максимум амплітуди) і вузол (мінімум амплітуди, практично нуль).

Завдяки тому, що коробка має багато резонансних мод (наприклад, 100Гц, 200Гц, 300Гц і так далі) - відразу багато частот з вхідного аудіосигналу посилюються та резонують.

Картина взаємодії та інтерференції таких хвиль і сама по собі гарна. У пучності піщинки коливаються сильно і розлітаються; у вузлах коливання мінімальні, і піщинки, що розлетілися, концентруються на цих місцях. Це найпростіший візуалізатор вузлів та пучностей стоячої хвилі.

Отримані картини називають фігурами Хладні на ім'я фізика, який вперше їх досліджував.

Труба Рубенса

Труба Рубенса – це візуалізатор стоячої хвилі, що працює на іншому принципі. Суть у тому, що в пучностях стоячої хвилі в газі тиск газу вищий, а у вузлах – нижчий. Якщо збудити стоячу хвилю в металевій трубі, тиск у ній розподілиться так само, як і пучності стоячої хвилі. Якщо в трубу нагнітати горючий газ (зазвичай використовують пропан, він горить яскравим полум'ям, що коптить), і просвердлити отвори по всій довжині труби - смолоскипи вогню матимуть різну висоту, відображаючи картину хвилі.

Двовимірна труба Рубенса

Поєднавши ці два явища, можна отримати приголомшливу картину.

До данських гіків приїхала команда блогу Veritasium, і вони зняли ще більш класне відео:

Post Views: 176