Трубка Рубенса , также известная как жаровая труба стоячей волны или просто жаровая труба , представляет собой физический прибор для демонстрации акустических стоячих волн в трубке. Изобретенный немецким физиком Генрихом Рубенсом в 1905 году, он графически показывает взаимосвязь между звуковыми волнами и звуковым давлением , как примитивный осциллограф . Сегодня он используется лишь изредка, обычно в качестве демонстрации в обучении физике.
Отрезок трубы перфорирован сверху и загерметизирован с обоих концов - один уплотнитель прикреплен к небольшому динамику или генератору частоты, другой - 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. При включении динамика стоячая волна будет создавать вдоль трубки точки с колеблющимся (повышенным и пониженным) давлением и точки с постоянным давлением (узлы давления). Там, где давление колеблется из-за звуковых волн, меньше газа будет выходить из перфораций в трубе, и пламя в этих точках будет ниже. В узлах давления пламя выше. В конце трубки скорость молекул газа равна нулю, а колебательное давление максимально, поэтому наблюдается слабое пламя. Определить длину волны можно по минимуму и максимуму пламени, просто измерив линейкой.
Поскольку усредненное по времени давление одинаково во всех точках трубки, объяснить разную высоту пламени непросто. Высота пламени пропорциональна потоку газа, как показано на рисунке. Согласно принципу Бернулли , поток газа пропорционален квадратному корню из разницы давлений внутри и снаружи трубки. Это показано на рисунке для трубки без стоячей звуковой волны. Исходя из этого аргумента, высота пламени нелинейно зависит от местного давления, зависящего от времени. Среднее время потока уменьшается в точках с колеблющимся давлением, и, следовательно, пламя становится меньше. [1]
Генрих Рубенс был немецким физиком, родившимся в 1865 году. Хотя он работал с такими известными физиками, 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. Эта оригинальная трубка Рубенса представляла собой четырехметровый отрезок трубы с примерно 100 отверстиями диаметром 2 мм, расположенными равномерно по всей длине. [2]
Когда концы трубы загерметизированы и в устройство закачивается горючий газ, выходящий газ может загореться, образуя ряд языков пламени примерно одинакового размера. Когда звук подается с одного конца с помощью громкоговорителя, внутреннее давление будет меняться по длине трубки. Если звук имеет частоту, вызывающую стоячие волны, длина волны будет видна в серии языков пламени, 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 разрежения . [1]
Рекорд Гиннесса по самой длинной трубке Рубенса был установлен в 2019 году, когда на научном шоу «Кварк» в Саку Суурхалле построили 10-метровую трубку Рубенса . [3]
Трубка Рубенса выставлялась в исследовательском центре The Exploratory в Бристоле, Англия , пока она не закрылась в 1999 году. Похожая выставка с использованием полистироловых шариков вместо пламени демонстрировалась в научном центре Бристоля до 2009 года. [4] Студенты делают модели трубки Рубенса в своих школьная научная выставка.
Эту экспозицию также можно найти на физических факультетах ряда университетов. [5] Он также есть на ряде физических выставок, таких как: Rino Foundation [6] (Нидерланды), Fysikshow Aarhus (Дания), Fizika Ekspres (Хорватия) и ÅA Physics show (Финляндия). [7] [8]
Разрушители мифов также включили демонстрацию в свой эпизод «Голосовой огнетушитель» в 2007 году. [9] В программе «Величайшее шоу всех времен» газеты Daily Planet [10] был проведен конкурс, в ходе которого пять канадских научных центров боролись 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 одного из них в 18-й серии «Волна огня».
Художница Эмер О'Брайен использовала трубки Рубенса в качестве основы для звуковой скульптуры , представленной на ее выставке 2012 года «Возвращение к нормальному состоянию» в Wapping Project в Лондоне . [11]
Двухмерная трубка Рубенса, также известная как пиродоска, 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 газа пропана, мешающим проникновению звуковых волн в плоскость, вызывает изменения высоты и цвета пламени. 2D-трубка Рубенса прославилась благодаря датской группе научных демонстраторов в Дании под названием Fysikshow. [12]
Двухмерная трубка Рубенса состоит из множества различных частей. Сама основная часть представляет собой прямоугольную стальную коробку, из которой выводится газ пропан. Для изготовления самолетов на пиродосках обычно используется сталь, поскольку этот состав обычно выдерживает огромное количество тепла и при этом сохраняет свою структуру. В верхней части стальной плоскости сверлятся отверстия для вывода газа пропана, который постоянно и медленно закачивается в стальной ящик. [13] Вместо цельной стальной коробки некоторые конструкции пиродосок имеют деревянные стороны, поддерживающие стальную плоскость сверху. В пиродосках деревянного типа внутренняя часть коробки обычно покрыта какой-то термостойкой мембраной , которая предотвращает утечку пропана внутри коробки.
По бокам стального ящика расположены динамики, которые передают звук в содержащуюся в нем среду. Скорость, с которой газ пропан выходит через отверстия в верхней части пиродоски, зависит от интенсивности входящего звука. Эта зависимость прямо пропорциональна: по мере увеличения интенсивности звука увеличивается скорость выхода газа пропана.
Поскольку среда внутри стального ящика поддерживается в постоянном объеме, может возникнуть стоячая волна. Частота, на которой может создаваться стоячая волна, во многом зависит от физических размеров ящика и длины волны. Поскольку пиродоски различаются по размерам, каждая доска имеет свои уникальные частоты, на которых может создаваться стоячая волна.
Цитата на немецком языке: «Eine geradlinige reihe von etwa 100 löchern von 2 mm weite»: «Прямая линия примерно со 100 отверстиями шириной 2 мм».
