Трубка Рубенса - Rubens tube

Трубка Рубенса

А Трубка Рубенса, также известный как Жаровая труба стоячей волны, или просто жаровая труба, это антиквариат физика аппарат для демонстрации акустических стоячие волны в тубе. Изобрел немецкий физик Генрих Рубенс в 1905 году он наглядно показывает взаимосвязь между звуковые волны и звуковое давление, как примитивный осциллограф. Сегодня он используется лишь изредка, как правило, в качестве демонстрации в физическом образовании.

Обзор

Отрезок трубы перфорирован по верху и герметизирован с обоих концов - одно уплотнение прикреплено к небольшому динамику или генератору частоты, а другое - к источнику горючего газа (баллон с пропаном). Труба заполняется газом, и газ, вытекающий из перфорационных отверстий, зажигается. Если используется подходящая постоянная частота, внутри трубки может образоваться стоячая волна. Когда динамик включен, стоячая волна будет создавать точки с колеблющимся (более высоким и низким) давлением и точки с постоянным давлением (узлы давления) вдоль трубки. Там, где есть колебательное давление из-за звуковых волн, меньше газа будет выходить из отверстий в трубке, и пламя будет ниже в этих точках. В узлах давления пламя выше. В конце трубки скорость молекул газа равна нулю, а колебательное давление максимальное, поэтому наблюдается слабое пламя. Длину волны можно определить по минимуму и максимуму пламени, просто измерив с помощью линейки.

Объяснение

Поскольку усредненное по времени давление одинаково во всех точках трубы, непросто объяснить различную высоту пламени. Высота пламени пропорциональна потоку газа, как показано на рисунке. На основе Принцип Бернулли, поток газа пропорционален квадратному корню из разности давлений внутри и снаружи трубы. Это показано на рисунке для трубки без стоячей звуковой волны. Исходя из этого аргумента, высота пламени нелинейно зависит от местного, зависящего от времени давления. Среднее во времени значение потока уменьшается в точках с колеблющимся давлением, и, следовательно, уменьшается пламя.[1]

Высота пламени на трубке Рубенса (без стоячей звуковой волны) для различных потоков природного газа. Пунктирная линия соответствует линейной аппроксимации.
Корень квадратный из разности давлений внутри и снаружи трубки Рубенса (без стоячей звуковой волны) для различных потоков природного газа. Пунктирная линия соответствует линейной аппроксимации.

История

Генрих Рубенс был немецким физиком, родившимся в 1865 году. Хотя он работал с более известными физиками, такими как Макс Планк в Берлинском университете, над некоторыми фундаментальными работами в области квантовой физики, он наиболее известен своей жаровой трубой, которая была продемонстрирована в 1905 году. Оригинальная труба Рубенса представляла собой четырехметровый отрезок трубы с примерно 100 отверстиями диаметром 2 мм, равномерно расположенными по ее длине. [2]

Когда концы трубы загерметизированы и в устройство закачан горючий газ, выходящий газ может быть зажжен, образуя ряд пламени примерно одинакового размера. Когда звук подается с одного конца через громкоговоритель, внутреннее давление будет изменяться по длине трубки. Если звук имеет частоту, порождающую стоячие волны, длина волны будет видна в серии пламен, причем самое высокое пламя возникает в узлах давления, а самое низкое пламя возникает в пучностях давления. Пучности давления соответствуют местам с наибольшей степенью сжатия и разрежение.[3]

Публичные дисплеи

Трубка Рубенса была выставлена ​​в Исследовательский в Бристоль, Англия пока он не закрылся в 1999 году. Подобная выставка с использованием бусинок из полистирола вместо пламени, изображенная на Ат-Бристоль научный центр до 2009 года.[4] Учащиеся лепят модели трубки Рубенса на школьной научной выставке.

Этот дисплей также есть на физических факультетах ряда университетов.[5]У ряда физических шоу также есть один, например: Фонд Рино. [6] (Нидерланды), Fysikshow Aarhus (Дания), Fizika Ekspres (Хорватия) и ÅA Physics show (Финляндия).[7][8]

В Разрушители легенд также включили демонстрацию своего эпизода "Voice Flame Extinguisher" в 2007 году.[9] В Daily Planet величайшее шоу на свете,[10] провел конкурс, в рамках которого пять канадских научных центров соревновались за лучший эксперимент / выставку научного центра. Научный центр Эдмонтона (Telus World of Science) использовал трубку Рубенса и выиграл конкурс. Специальное предложение было снято 10 октября 2010 года. Тим Шоу в шоу Street Genius на канале National Geographic также снялся в эпизоде ​​18 «Волна огня».

Исполнитель Эмер О'Брайен использовали трубки Рубенса как основу для звуковая скульптура представлена ​​на ее выставке 2012 года Вернуться к нормальному на Wapping Project в Лондон.[11]

2D труба Рубенса

Обзор

Двумерная труба Рубенса, также известная как пиро-доска, представляет собой плоскость из Горелки Бунзена который может продемонстрировать акустический стоячая волна в двух измерениях. Подобно своей предшественнице, одномерной трубе Рубенса, эта стоячая волна вызвана множеством факторов. Изменение давления, вызванное притоком газообразного пропана, препятствующим подаче звуковые волны в плоскости вызывает изменение высоты и цвета пламени. Двумерная трубка Рубенса прославила датская группа демонстраторов науки в Дании под названием Fysikshow.[12]

Объяснение

Двухмерная трубка Рубенса состоит из множества разных частей. Сама основная часть - это прямоугольный стальной ящик, через который выводится пропан. Сталь обычно используется для изготовления рубанков на пиропатронах, потому что эта смесь может выдерживать огромное количество тепла и при этом сохранять свою структуру. В верхней части стальной плоскости просверлены отверстия для вывода пропана, который постоянно и медленно закачивается в стальной ящик.[13] Вместо целого стального ящика некоторые конструкции пиропортов имеют деревянные стенки для поддержки стальной плоскости сверху. У пиробортов деревянного типа внутренняя часть ящика обычно покрыта каким-то термостойким материалом. мембрана это предотвращает утечку пропана внутри коробки.

По бокам стального ящика расположены динамики, которые вводят звук в содержащийся носитель. Скорость, с которой пропан выходит через отверстия в верхней части пиро-доски, зависит от интенсивности входящего звука. Это соотношение прямо пропорционально, что означает, что по мере увеличения интенсивности звука скорость выхода пропана увеличивается.

Поскольку среда внутри стального ящика поддерживается в постоянном объеме, может возникать стоячая волна. Частота, с которой может создаваться стоячая волна, во многом зависит от физических размеров ящика и длины волны. Поскольку пиро-доски различаются по размерам, каждая доска имеет свои уникальные частоты, на которых может образовываться стоячая волна.

Публичные дисплеи

В 2014 году датский научный сотрудник Суне Нильсен, членом Fysikshow, вместе с научным блоггером Дерек Мюллер в YouTube видео демонстрируя пиро-доску в действии. Дерек Мюллер, также известный как Veritasium на YouTube, объясняет, как работают одномерные и двухмерные трубки Рубенса.

Рекомендации

  1. ^ G.W. Фикен, футбольный клуб Стефенсон, демонстрация жаровой трубы Рубенса, Учитель физики, Vol. 17, стр. 306-310 (1979)
  2. ^ Дои:10.1121/1.3636076 в оригинальной публикации: "eine geradlinige Reihe von etwa 100 Löchern von 2mm Weite"
  3. ^ G.W. Фикен, футбольный клуб Стефенсон, демонстрация жаровой трубы Рубенса, Учитель физики, Vol. 17, стр. 306-310 (1979)
  4. ^ «Исследовательские - Экспонаты». Получено 6 ноября, 2006.
  5. ^ «Колебания и волны». Архивировано из оригинал 1 сентября 2006 г.. Получено 8 ноября, 2006.
  6. ^ «сайт Рино Foundation». Получено 29 октября, 2009.
  7. ^ «Сайт Физика Экспрес». Архивировано из оригинал 18 мая 2009 г.. Получено 20 апреля, 2009.
  8. ^ «Сайт ЕА». Получено 20 апреля, 2009.
  9. ^ "Discovery Channel Video". Получено 11 августа, 2009.
  10. ^ "Величайшее шоу Daily Planet". Получено 10 октября, 2010.[мертвая ссылка ]
  11. ^ "Эмер О'Брайен - вернуться к нормальной жизни". переименование. Архивировано из оригинал на 2013-07-09. Получено 1 января, 2014.
  12. ^ «ФысикШоу - Фысикум». www.fysik.su.se. Архивировано из оригинал на 2016-02-07. Получено 2016-02-06.
  13. ^ Veritasium (2014-04-17), Поджигатель: 2D трубка Рубенса!, получено 2016-02-06

внешняя ссылка