Rura Rubensa

Rura Rubensa podczas demonstracji

Rura Rubensa – urządzenie do demonstracji z zakresu fizyki, prezentujące akustyczną falę stojącą za pomocą płomieni.

Budowa

Poziomo ustawiona stalowa lub mosiężna rura jest perforowana w swej górnej części. Otwory o średnicy rzędu 1 mm rozmieszczone są w stałych, niewielkich (rzędu 1 cm) odstępach. Jeden koniec rury jest zasklepiony, zaś na drugim znajduje się źródło drgań, np. mały głośniczek lub też membrana, która przekazuje drgania do wnętrza rury (wtedy pochodzące z zewnętrznego głośnika). Z boku lub od spodu znajduje się wlot (lub wloty) palnego gazu doprowadzanego wężem. Podczas użytkowania rura wypełnia się gazem, który ulatuje przez rząd dziurek i zostaje zapalony przez demonstratora. Jeśli drgania w rurze pobudzone będą odpowiednią częstotliwością podawanego dźwięku (w rezonansie z częstością drgań własnych w rurze), powstanie w niej fala stojąca. Objawia się ona pojawieniem się ustalonego obrazu płomieni, dyktowanego falą ciśnienia wewnątrz rury. W strzałkach fali płomienie są wyższe, natomiast w węzłach – niższe. Można zmierzyć długość fali powstającej w rurze po prostu mierząc przymiarem liniowym odległość między dwoma węzłami z trzecim pośrodku nich (rysunek obok).

Pomiar długości stojącej fali dźwiękowej w rurze Rubensa
Wysokość płomieni w rurze Rubensa (brak fali stojącej) dla różnych przepływów gazu. Linia kreskowana odpowiada dopasowaniu liniowemu.
Pierwiastek kwadratowy różnicy ciśnienia między wnętrzem i zewnętrzem rury Rubensa (brak fali stojącej) dla różnych przepływów gazu. Linia kreskowana odpowiada dopasowaniu liniowemu.

Wyjaśnienie działania

Jako że ciśnienie uśrednione w czasie jest jednakowe w każdym punkcie rury, nie jest prostym wyjaśnienie różnych wysokości płomieni. Jest ona proporcjonalna do strumienia objętości przepływającego gazu, jak pokazano na wykresie obok. Bazując na zasadzie Bernoulliego, przepływ gazu jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z różnicy ciśnień między wnętrzem i zewnętrzem rury. Pokazane jest to na dolnym wykresie dla rury bez wytworzonej fali stojącej. Zgodnie z tym wysokość płomienia jest zależna nieliniowo od lokalnych czasowych wahań ciśnienia. Średnia czasowa strumienia objętości gazu jest mniejsza w punktach oscylującego ciśnienia i przez to płomienie w tych punktach są niższe[1].

Historia rury Rubensa

John Le Conte odkrył w 1858 roku, że płomienie są czułe na dźwięk. W 1862 Rudolph Koenig pokazał, że wysokość płomienia może zależeć od transmisji dźwięku przez dostarczany gaz. August Kundt w 1866 roku zademonstrował akustyczną falę stojącą dzięki umieszczeniu proszku likopodium lub drobno mielonego korka w szklanej rurze. Podczas pobudzania powietrza wewnątrz rury do drgań, przy odpowiednim doborze długości czynnej rury, zamykanej drewnianym korkiem, powstaje fala stojąca. Materiał wewnątrz rury gromadzi się w węzłach, będąc wymiatanym z miejsc, gdzie tworzą się strzałki fali stojącej. W ten sposób powstaje utrwalony w rozmieszczeniu proszku obraz fali stojącej. Jeszcze w tym samym stuleciu Behn wykazał, że małe płomienie mogą zostać użyte jako czułe detektory ciśnienia. W 1904 roku Heinrich Rubens, korzystając z tych dwóch odkryć, wywiercił w 4-metrowej rurze 200 małych otworów, co 2 cm każdy, po czym puścił przez rurę palny gaz. Po zapaleniu tego gazu (i uzyskaniu płomieni praktycznie równej wysokości) i doprowadzeniu do rezonansu akustycznego zauważył powstawanie dźwiękowej fali stojącej w rurze dzięki charakterystycznemu układowi wysokości płomieni[2][3][4][5][6]. O. Krigar-Menzel pomógł Rubensowi opracować teoretyczną stronę doświadczenia. Szczegółowy opis teorii rezonansu w rurze Rubensa dał Gardner i inni[7].

Publiczne pokazy

Rura Rubensa była wystawiana publicznie w The Exploratory w Bristolu aż do zamknięcia w 1999 roku, kiedy to wystawa została przeniesiona do muzeum @-Bristol[8].

Pokaz ten znajduje się również w harmonogramie pokazów fizycznych wielu uniwersytetów i uczelni[9]. Wiele pokazów fizycznych również używa rury Rubensa, np. Rino Foundation[10] (Holandia), Fysikshow Aarhus (Dania), Fizika Ekspres (Chorwacja) i ÅA Physics show (Finlandia)[11][12].

Pogromcy mitów również wykorzystali rurę Rubensa w odcinku „Voice Flame Extinguisher” w 2007 roku[13].

The Daily Planet’s The Greatest Show Ever[14] poprowadziło zawody, w których pięć kanadyjskich centrów naukowych rywalizowało, pokazując najlepszą naukową demonstrację. Edmonton’s Science Centre (Telus World of Science) wykorzystało rurę Rubensa, która wygrała zawody.

Zobacz też

Przypisy

  1. ↑ G.W. Ficken, F.C. Stephenson. Rubens flame-tube demonstration. „The Physics Teacher”. 17, s. 306–310, 1979. 
  2. ↑ Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Nr. 24 (30 Dec 1904) pp. 351, 352, 353, 354 „Stehende Schallwellen durch Manometerflammen (Demonstrated by Heinrich Rubens, December, 8th 1904) via instructables.
  3. ↑ Annalen der Physik, vol. 322, Issue 6, s. 149–164, Flammenröhre für akustische Beobachtungen, H. Rubens, O. Krigar-Menzel (1905).
  4. ↑ Philosophical Transactions of the Royal Society of London. „Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character”, Vol. 230, s. 413–445 (1932).
  5. ↑ The Flame Tube - ENGLISH TRANSLATION. [dostęp 2011-07-15]. [zarchiwizowane z tego adresu (2007-11-05)].
  6. ↑ Luehrs Waterwave Englisch (.doc format). [dostęp 2006-11-08]. [zarchiwizowane z tego adresu (2004-07-24)].
  7. ↑ M.D. Gardner, K.L. Gee, G. Dix, An investigation of Rubens flame tube resonances, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 125, s. 1285–1292 (2009).
  8. ↑ The Exploratory - Exhibits. [dostęp 2011-07-15].
  9. ↑ Oscillation & Waves. [dostęp 2006-11-08]. [zarchiwizowane z tego adresu (2006-09-01)].
  10. ↑ website Rino Foundation. [dostęp 2011-07-15].
  11. ↑ Fizika Ekspres website. [dostęp 2009-04-20]. [zarchiwizowane z tego adresu (2009-05-18)].
  12. ↑ ÅA website. [dostęp 2009-04-20].
  13. ↑ Discovery Channel Video. [dostęp 2011-07-15].
  14. ↑ Daily Planet’s The Greatest Show Ever. [dostęp 2010-10-10].

Media użyte na tej stronie

RubensTubeLambda.png
Autor: New Zealand Physics Teachers' Resource Bank, Licencja: CC-BY-SA-3.0

A Rubens' Tube setup, done at Hutt International Boys School, Wellington, New Zealand.
Photo courtesy of Physics Department at Victoria University of Wellington, Wellington, New Zealand.


This image demonstrates the measurement of the wavelength of a tone played into the device.
Rubens pressure.png
Autor: Prof308, Licencja: CC BY-SA 3.0
Square root of the pressure difference between inside and outisde of Rubens tube (without standing sound wave) for different flows of natural gas. Line is linear fit.
Rubens flame.png
Autor: Prof308, Licencja: CC BY-SA 3.0
Flame height on a Rubens tube (without standing sound wave) for different flows of natural gas.
RubensTube.png
Autor: New Zealand Physics Teachers' Resource Bank, Licencja: CC-BY-SA-3.0

A Rubens' Tube setup, done at Hutt International Boys School, Wellington, New Zealand.


Photo courtesy of Physics Department at Victoria University of Wellington, Wellington, New Zealand.