трубка Рубенса
Физический аппарат для демонстрации акустических стоячих волн в трубе
Трубчатая установка Рубенса

Трубка Рубенса , также известная как пламенная трубка стоячей волны или просто пламенная трубка , — это физический аппарат для демонстрации акустических стоячих волн в трубке. Изобретенная немецким физиком Генрихом Рубенсом в 1905 году, она наглядно показывает связь между звуковыми волнами и звуковым давлением , как примитивный осциллограф . Сегодня она используется лишь изредка, как правило, в качестве демонстрации в преподавании физики.

Обзор

Длина трубы перфорирована вдоль верхней части и запечатана с обоих концов - одно уплотнение прикреплено к небольшому динамику или генератору частоты, другое - к источнику горючего газа ( баллон с пропаном ). Труба заполнена газом, и газ, вытекающий из перфораций, поджигается. Если использовать подходящую постоянную частоту, внутри трубки может образоваться стоячая волна. Когда динамик включен, стоячая волна создаст точки с колеблющимся (более высоким и более низким) давлением и точки с постоянным давлением (узлы давления) вдоль трубки. Там, где есть колеблющееся давление из-за звуковых волн, меньше газа будет выходить из перфораций в трубке, и пламя будет ниже в этих точках. В пучностях давления пламя выше. В конце трубки скорость молекул газа равна нулю, а колеблющееся давление максимально, поэтому наблюдается высокое пламя. Можно определить длину волны по минимуму и максимуму пламени, просто измерив линейкой.

Объяснение

Высота пламени на трубке Рубенса (без стоячей звуковой волны) для различных потоков природного газа. Пунктирная линия — линейная аппроксимация.
Квадратный корень из разницы давлений внутри и снаружи трубки Рубенса (без стоячей звуковой волны) для различных потоков природного газа. Пунктирная линия — линейная аппроксимация.

Поскольку усредненное по времени давление одинаково во всех точках трубки, объяснить различную высоту пламени непросто. Высота пламени пропорциональна потоку газа, как показано на рисунке. Согласно принципу Бернулли , поток газа пропорционален квадратному корню разницы давлений между внутренней и внешней частью трубки. Это показано на рисунке для трубки без стоячей звуковой волны. Исходя из этого аргумента, высота пламени нелинейно зависит от локального, зависящего от времени давления. Усредненное по времени значение потока уменьшается в точках с колеблющимся давлением, и, таким образом, пламя становится ниже. [1]

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 основами квантовой физики, он наиболее известен своей пламенной трубкой, которая была продемонстрирована в 1905 году. Эта оригинальная трубка Рубенса представляла собой четырехметровый отрезок трубы с приблизительно 100 отверстиями диаметром 2 мм, равномерно расположенными по ее длине. [2]

Когда концы трубы запечатаны и в устройство закачан горючий газ, выходящий газ может быть зажжен, образуя ряд пламени примерно одинакового размера. Когда звук подается с одного конца с помощью громкоговорителя, внутреннее давление будет меняться по длине трубы. Если звук имеет частоту, которая создает стоячие волны, длина волны будет видна в серии пламени, причем самое высокое пламя возникает в пучностях давления, а самое низкое пламя возникает в узлах давления. Пучности давления соответствуют местам с наибольшим количеством сжатия и разрежения . [1]

Рекорд Гиннесса по самой длинной трубке Рубенса был достигнут в 2019 году, когда научное шоу Kvark построило 10-метровую трубку Рубенса в Saku Suurhall . [3]

Публичные показы

Трубка Рубенса экспонировалась в музее Exploratory в Бристоле, Англия , до его закрытия в 1999 году. Похожая экспозиция с использованием полистирольных шариков вместо пламени была представлена ​​в научном центре At-Bristol до 2009 года. [4] Учащиеся изготавливают модели трубки Рубенса на своей школьной научной выставке.

Этот дисплей также можно найти на физических факультетах ряда университетов. [5] Ряд физических шоу также имеют такой дисплей, например: Rino Foundation [6] (Нидерланды), Fysikshow Aarhus (Дания), Fizika Ekspres (Хорватия) и ÅA Physics show (Финляндия). [7] [8]

The MythBusters также включили демонстрацию в свой эпизод «Voice Flame Extinguisher» в 2007 году. [9] The Daily Planet 's The Greatest Show Ever, [10] провел конкурс, в котором пять канадских научных центров соревновались за лучший эксперимент/показ научного центра. Научный центр Эдмонтона (Telus World of Science) использовал трубку Рубенса и выиграл конкурс. Специальный выпуск был снят 10 октября 2010 года. Тим Шоу в шоу Street Genius на канале National Geographic также показал трубку в эпизоде ​​18 «Волна огня».

Художница Эмер О'Брайен использовала трубки Рубенса в качестве основы для звуковой скульптуры, представленной на ее выставке 2012 года «Возвращение к норме» в Wapping Project в Лондоне . [11]

2D трубка Рубенса (пирокартон)

Обзор

Трубка Рубенса 2D, также известная как пиропластина, представляет собой плоскость горелок Бунзена , которая может демонстрировать акустическую стоячую волну в двух измерениях. Подобно своей предшественнице, одномерной трубке Рубенса, эта стоячая волна вызвана множеством факторов. Изменение давления, вызванное притоком пропана, препятствующим поступлению звуковых волн в плоскость, вызывает изменения высоты и цвета пламени. Трубка Рубенса 2D стала знаменитой благодаря датской научной демонстрационной группе в Дании под названием Fysikshow. [12]

Объяснение

Трубка Рубенса 2D состоит из множества различных частей. Сама основная часть представляет собой прямоугольный стальной ящик, из которого выходит пропан. Сталь обычно используется для плоскости на пиропатронах, поскольку соединение обычно может выдерживать огромное количество тепла и при этом сохранять свою структуру. Отверстия просверлены в верхней части стальной плоскости для выхода пропана, который постоянно и медленно закачивается в стальную коробку. [13] Вместо того чтобы иметь полную стальную коробку, некоторые конструкции пиропатронов имеют деревянные боковины для поддержки стальной плоскости сверху. В деревянных пиропатронах внутренняя часть коробки обычно покрыта какой-то термостойкой мембраной , которая предотвращает утечку пропана внутри коробки.

По бокам стального ящика находятся динамики, которые вводят звук в содержащуюся среду. Скорость, с которой газ пропана выходит через отверстия в верхней части пироплаты, зависит от интенсивности входящего звука. Эта зависимость прямо пропорциональна, то есть по мере увеличения интенсивности звука скорость, с которой газ пропана выходит, увеличивается.

Поскольку среда внутри стального ящика поддерживается в постоянном объеме, может возникнуть стоячая волна. Частота, на которой может возникнуть стоячая волна, во многом зависит от физических размеров ящика и длины волны. Поскольку размеры пироплат различаются, каждая плата имеет свои собственные уникальные частоты, на которых может возникнуть стоячая волна.

Ссылки

  1. ^ ab Ficken, George W.; Stephenson, Francis C. (май 1979). «Демонстрация огненной трубы Рубенса». The Physics Teacher . 17 (5): 306–310 . Bibcode : 1979PhTea..17..306F. doi : 10.1119/1.2340232.
  2. ^ Ну и дела, Кент Л. (2010). Трубка Рубенса . Материалы совещаний по акустике. п. 025003. дои : 10.1121/1.3636076 . Цитата на немецком языке: «Eine geradlinige reihe von etwa 100 löchern von 2 mm weite»: «Прямая линия примерно со 100 отверстиями шириной 2 мм».
  3. ^ "Самая длинная трубка Рубена". Книга рекордов Гиннесса . 2020-07-07 . Получено 2022-08-01 .
  4. ^ "The Exploratory - Exhibits" . Получено 6 ноября 2006 г.
  5. ^ "Осцилляция и волны". Архивировано из оригинала 1 сентября 2006 г. Получено 8 ноября 2006 г.
  6. ^ "веб-сайт Rino Foundation" . Получено 29 октября 2009 г. .
  7. ^ "Сайт Fizika Ekspres". Архивировано из оригинала 18 мая 2009 г. Получено 20 апреля 2009 г.
  8. ^ "Сайт ÅA" . Проверено 20 апреля 2009 г.
  9. ^ "Discovery Channel Video" . Получено 11 августа 2009 г. .
  10. ^ "Daily Planet's The Greatest Show Ever" . Получено 10 октября 2010 г. .[ мертвая ссылка ‍ ]
  11. ^ "Emer O'Brien - Return to Normal". переименование. Архивировано из оригинала 2013-07-09 . Получено 1 января 2014 .
  12. ^ "Физическое шоу Орхус".
  13. ↑ Veritasium (2014-04-17), Pyro Board: 2D Rubens' Tube!, получено 2016-02-06
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Труба Рубенса» .
  • Информация об оригинальном дизайне Рубенса в формате .doc
  • Музыкальный огненный стол! на YouTube
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Rubens_tube&oldid=1272193729"