Rurka Rubensa
Rura Rubensa , znana również jako rura płomieniowa z falą stojącą lub po prostu rura płomieniowa , to urządzenie fizyczne do demonstrowania akustycznych fal stojących w rurze. Wynaleziony przez niemieckiego fizyka Heinricha Rubensa w 1905 roku, przedstawia graficznie zależność między falami dźwiękowymi a ciśnieniem akustycznym , jako prymitywny oscyloskop . Obecnie jest używany tylko sporadycznie, zazwyczaj jako demonstracja w nauczaniu fizyki.
Przegląd
Odcinek rury jest perforowany wzdłuż górnej części i uszczelniany na obu końcach - jedna uszczelka jest przymocowana do małego głośnika lub generatora częstotliwości, a druga do źródła łatwopalnego gazu ( zbiornika z propanem ). Rura jest wypełniona gazem, a gaz wyciekający z perforacji jest zapalony. Jeśli używana jest odpowiednia stała częstotliwość, w rurze może powstać fala stojąca. Gdy głośnik jest włączony, fala stojąca stworzy wzdłuż tuby punkty o oscylującym (wyższym i niższym) ciśnieniu oraz punkty o stałym ciśnieniu (węzły ciśnieniowe). Tam, gdzie występuje ciśnienie oscylacyjne spowodowane falami dźwiękowymi, mniej gazu wydostanie się z perforacji w rurze, a płomienie będą niższe w tych punktach. W węzłach ciśnieniowych płomienie są wyższe. Na końcu rury prędkość cząsteczki gazu jest zerowa, a ciśnienie oscylacyjne jest maksymalne, dlatego obserwuje się niskie płomienie. Możliwe jest określenie długości fali na podstawie minimum i maksimum płomienia, po prostu mierząc za pomocą linijki.
Wyjaśnienie
Ponieważ uśrednione w czasie ciśnienie jest równe we wszystkich punktach rury, wyjaśnienie różnych wysokości płomienia nie jest proste. Wysokość płomienia jest proporcjonalna do przepływu gazu, jak pokazano na rysunku. Zgodnie z zasadą Bernoulliego przepływ gazu jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego różnicy ciśnień między wewnętrzną i zewnętrzną stroną rurki. Pokazano to na rysunku dla rury bez stojącej fali dźwiękowej. Na podstawie tego argumentu wysokość płomienia zależy nieliniowo od lokalnego, zależnego od czasu ciśnienia. Średnia czasowa przepływu jest zmniejszona w punktach o oscylującym ciśnieniu, a tym samym płomienie są mniejsze.
Historia
Heinrich Rubens był niemieckim fizykiem urodzonym w 1865 roku. Chociaż pracował z lepiej pamiętanymi fizykami, takimi jak Max Planck z Uniwersytetu Berlińskiego, nad niektórymi podstawowymi pracami fizyki kwantowej, najbardziej znany jest ze swojej rury płomieniowej, którą zademonstrowano w 1905 roku Ta oryginalna rura Rubensa była czterometrowym odcinkiem rury z około 100 otworami o średnicy 2 mm rozmieszczonymi równomiernie na całej długości.
Gdy końce rury są uszczelnione, a do urządzenia wpompowany jest łatwopalny gaz, ulatniający się gaz można zapalić, tworząc rząd płomieni o mniej więcej równej wielkości. Kiedy dźwięk jest doprowadzany z jednego końca za pomocą głośnika, ciśnienie wewnętrzne będzie się zmieniać wzdłuż długości rury. Jeśli dźwięk ma częstotliwość, która wytwarza fale stojące, długość fali będzie widoczna w serii płomieni, z najwyższymi płomieniami występującymi w węzłach ciśnienia i najniższymi płomieniami występującymi w przeciwwęzłach ciśnienia. Antywęzły ciśnieniowe odpowiadają miejscom o największej kompresji i rozrzedzeniu .
Rekord Guinnessa dla najdłuższej rury Rubensa został osiągnięty w 2019 roku, kiedy w programie naukowym Kvark zbudował 10-metrową rurę Rubensa w Saku Suurhall .
Pokazy publiczne
Rurka Rubensa była wystawiana w The Exploratory w Bristolu w Anglii aż do jej zamknięcia w 1999 roku. Podobna wystawa wykorzystująca kulki polistyrenowe zamiast płomieni była prezentowana w centrum naukowym At-Bristol do 2009 roku. Uczniowie wykonują modele rurki Rubensa na szkolnej wystawie naukowej .
Ten wyświetlacz znajduje się również na wydziałach fizyki na wielu uniwersytetach. Wiele pokazów fizyki ma również jeden, na przykład: Rino Foundation (Holandia), Fysikshow Aarhus (Dania), Fizika Ekspres (Chorwacja) i ÅA Physics show (Finlandia).
Pogromcy mitów zamieścili także demonstrację w swoim odcinku „Voice Flame Extinguisher” w 2007 roku. The Daily Planet 's The Greatest Show Ever zorganizował konkurs, w ramach którego pięć kanadyjskich ośrodków naukowych rywalizowało o najlepszy eksperyment / pokaz w ośrodku naukowym. Centrum Nauki w Edmonton (Telus World of Science) wykorzystało rurkę Rubensa i wygrało konkurs. Program specjalny został nakręcony 10 października 2010 r. Tim Shaw w programie Street Genius na kanale National Geographic Channel przedstawił także jeden w odcinku 18 „Wave of fire”.
Artystka Emer O'Brien użyła rur Rubensa jako podstawy do rzeźby dźwiękowej przedstawionej na jej wystawie Return to Normal w 2012 roku w Wapping Project w Londynie .
Rurka 2D Rubensa (płyta pirotechniczna)
Przegląd
Dwuwymiarowa rura Rubensa, znana również jako tablica pirotechniczna, to płaszczyzna palników Bunsena , która może zademonstrować akustyczną falę stojącą w dwóch wymiarach. Podobnie jak jej poprzedniczka, jednowymiarowa rura Rubensa, ta fala stojąca jest spowodowana wieloma czynnikami. Wahania ciśnienia wywołane dopływem propanu zakłócającego wprowadzanie fal dźwiękowych do samolotu powodują zmiany wysokości i koloru płomieni. Dwuwymiarowa tuba Rubensa została rozsławiona przez duńską grupę demonstratorów naukowych w Danii o nazwie Fysikshow.
Wyjaśnienie
Dwuwymiarowa tuba Rubensa składa się z wielu różnych części. Główną częścią jest prostokątna stalowa skrzynia, z której wydobywa się propan. Stal jest zwykle używana do samolotów na płytach pirotechnicznych, ponieważ mieszanka może generalnie wytrzymać ogromne ilości ciepła i nadal być w stanie zachować swoją strukturę. W górnej części stalowej płaszczyzny wierci się otwory, aby wyprowadzać gaz propan, który jest stale i powoli pompowany do stalowej skrzyni. Zamiast kompletnego stalowego pudełka, niektóre projekty piroboardów mają drewniane boki, które podtrzymują stalową płaszczyznę na górze. W drewnianych płytach pirotechnicznych wnętrze pudełka jest zwykle pokryte jakąś żaroodporną membraną który zapobiega wyciekaniu propanu z pudełka.
Po bokach stalowej skrzynki znajdują się głośniki, które wprowadzają dźwięk do zawartego w niej nośnika. Szybkość, z jaką propan wydostaje się przez otwory w górnej części płyty pirotechnicznej, zależy od intensywności wprowadzanego dźwięku. Zależność ta jest wprost proporcjonalna, co oznacza, że wraz ze wzrostem natężenia dźwięku zwiększa się szybkość wydostawania się gazu propanowego.
Ponieważ medium wewnątrz stalowej skrzynki jest utrzymywane na stałym poziomie, może powstać fala stojąca. Częstotliwość, z jaką można wytworzyć falę stojącą, zależy w dużej mierze od fizycznych wymiarów pudełka i długości fali. Ponieważ płyty pirochemiczne mają różne rozmiary, każda z nich ma swoje własne unikalne częstotliwości, przy których można wytworzyć falę stojącą.
Pokazy publiczne
W 2014 roku duński demonstrator naukowy Sune Nielsen, członek Fysikshow, połączył siły z blogerem naukowym Derekiem Mullerem w filmie na YouTube pokazującym tablicę pirotechniczną w akcji. Derek Muller, znany również jako Veritasium na YouTube, wyjaśnia naukowe podstawy działania rur Rubensa 1D i 2D.