rurka Kundta

Rysunek z oryginalnego artykułu Kundta z 1866 r. w Annalen der Physik , przedstawiający aparat rurowy Kundta (ryc. 6 i 7, u góry) oraz utworzone przez niego wzory proszkowe (ryc. 1, 2, 3, 4) .

Rura Kundta to eksperymentalny aparat akustyczny wynaleziony w 1866 roku przez niemieckiego fizyka Augusta Kundta do pomiaru prędkości dźwięku w gazie lub litym pręcie. Eksperyment jest nadal nauczany dzisiaj ze względu na jego zdolność do zademonstrowania fal podłużnych w gazie (co często może być trudne do wizualizacji). Obecnie jest używany tylko do demonstrowania fal stojących i sił akustycznych.

Jak to działa

Rurka jest przezroczystą poziomą rurką, która zawiera niewielką ilość drobnego proszku, takiego jak pył korkowy , talk lub lycopodium . Na jednym końcu rurki znajduje się źródło dźwięku o jednej częstotliwości ( ton czysty ). Kundt użył rezonatora z metalowym prętem , który powodował wibracje lub „dzwonienie” przez pocieranie, ale współczesne demonstracje zwykle wykorzystują głośnik podłączony do generatora sygnału wytwarzającego falę sinusoidalną . Drugi koniec rurki blokowany jest ruchomym tłokiem, za pomocą którego można regulować długość rurki.

Generator dźwięku jest włączony, a tłok jest regulowany, aż dźwięk z tuby nagle staje się znacznie głośniejszy. Oznacza to, że rura jest w rezonansie . Oznacza to, że długość ścieżki fal dźwiękowych w obie strony, od jednego końca rury do drugiego iz powrotem, jest wielokrotnością długości fali λ fal dźwiękowych . Dlatego długość rury jest wielokrotnością połowy długości fali. W tym momencie fale dźwiękowe w rurze mają postać fal stojących i mają amplitudę drgań powietrza wynosi zero w równomiernie rozmieszczonych odstępach wzdłuż rury, zwanych węzłami . Proszek jest wychwytywany w poruszającym się powietrzu i osadza się w małych stosach lub liniach w tych węzłach, ponieważ powietrze jest tam nieruchome i ciche. Odległość między stosami wynosi połowę długości fali λ /2 dźwięku. Mierząc odległość między stosami, można znaleźć długość fali λ dźwięku w powietrzu. Jeśli znana jest częstotliwość f dźwięku, pomnożenie jej przez długość fali daje prędkość dźwięku c w powietrzu:

${\ displaystyle c = \ lambda f \,}$

Szczegółowy ruch proszku jest w rzeczywistości spowodowany efektem zwanym strumieniem akustycznym , spowodowanym oddziaływaniem fali dźwiękowej z graniczną warstwą powietrza na powierzchni rury.

Dalsze eksperymenty

Napełniając rurkę innymi gazami poza powietrzem i częściowo opróżniając ją za pomocą pompy próżniowej, Kundt był również w stanie obliczyć prędkość dźwięku w różnych gazach przy różnych ciśnieniach. Aby wytworzyć swoje wibracje, Kundt zatrzymał drugi koniec rury luźno dopasowanym korkiem przymocowanym do końca metalowego pręta wystającego do rury, zaciśniętego w jej środku. Po potarciu wzdłuż kawałkiem skóry pokrytej kalafonią pręt wibrował wzdłużnie z częstotliwością podstawową , wystawiając wysoką notę. Znając prędkość dźwięku w powietrzu, Kundt mógł obliczyć prędkość dźwięku w metalu pręta rezonatora. Długość pręta L była równa połowie długości fali dźwięku w metalu, a odległość między stosami proszku d była równa połowie długości fali dźwięku w powietrzu. Tak więc stosunek tych dwóch był równy stosunkowi prędkości dźwięku w dwóch materiałach:

${c _ {\ tekst {powietrze}}}} = {\ frac {f\lambda _{\text{metal}}}{f\lambda _{\text{powietrze}}}}={\frac {\lambda _{\text{metal}}}{\lambda _{\text {powietrze}}}}={\frac {L}{d}}\,}$

Powód dokładności

Nowoczesna wersja eksperymentu z lampą Kundta, stosowana na zajęciach z fizyki na uniwersytecie w Ameryce Południowej. Zamiast przezroczystej rurki z proszkiem w celu odsłonięcia węzłów, wykorzystuje się mikrofony zamontowane w tubie. Tłok (prawy środek) porusza się tam iz powrotem. Gdy mikrofon znajduje się w węzłach fali, ciśnienie akustyczne spada do zera. Moc dźwięku z mikrofonów jest rejestrowana na rejestratorze (pośrodku z tyłu) .

Mniej dokładna metoda określania długości fali za pomocą rury, stosowana przed Kundtem, polega po prostu na pomiarze długości rury w rezonansie, która jest w przybliżeniu równa wielokrotności połowy długości fali. Problem z tą metodą polega na tym, że gdy rurka powietrzna jest napędzana przez źródło dźwięku, jej długość w rezonansie nie jest dokładnie równa wielokrotności połowy długości fali. Ponieważ powietrze na źródłowym końcu tuby, obok membrany głośnika, wibruje, nie znajduje się dokładnie w węźle (punktie o zerowej amplitudzie) fali stojącej. Węzeł faktycznie występuje w pewnej odległości poza końcem rurki. Metoda Kundta pozwoliła na określenie z dużą dokładnością rzeczywistej lokalizacji węzłów.

Zobacz też

• Płyty Chladniego , kolejna technika wizualizacji fali stojącej.
• Rurka Rubensa pokazuje związek między stojącymi falami dźwiękowymi a ciśnieniem akustycznym.

Dalsza lektura

• Hortvet, J. (1902). Podręcznik elementarnej fizyki praktycznej. Minneapolis: HW Wilson. Strona 119+ .