Princip rada Rubensove cijevi. Rubensova cijev. 2D Rubensova cijev

Predstavljamo vam zanimljivu ideju za izradu vatrogasne cijevi ili Rubensove cijevi, kako je mnogi nazivaju.

Što nam treba:
- snažno pojačalo;
- žice za spajanje telefona i zvučnika na pojačalo;
- pištolj za ljepilo;
- zvučnici;
- plastična cijev;
- plinski cilindar;
- mlaznica na plinskom cilindru;
- bušilica;
- Plastični spremnik;
- aluminijska cijev duga oko metar.

Nakon toga pričvrstimo zvučnik na aluminijsku cijev. Ne morate brinuti da će se zvučnik i vruće ljepilo otopiti jer vatra neće doprijeti do tog dijela.

S druge strane, debelu plastičnu cijev nategnemo preko aluminijske tako da dobro drži.

Na kraju spojimo mlaznicu za plinski uložak na sam cilindar. Imajte na umu da autor ideje ne preporučuje eksperimentiranje s ovim

Kudashov A.A. (Kuznjeck, MBOU srednje Srednja škola № 14)

1. "Fizika 9" A.V. Peryshkin, E.M. Gutnik.

2. "Fizika 11" G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev i br. 8622 / 0790 drugi.

3. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Rubens_Pipe.

4. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Standing_wave.

5. URL: http://bourabai.ru/physics/sound.html.

Svatko od nas, ljudi, svakodnevno je izložen mnogim čimbenicima. To su mirisi, toplinski učinci, zračenje raznih uređaja i, naravno, zvukovi. Zvukovi nas okružuju posvuda, često ih ne možemo odabrati - buka automobila u prolazu, građevinski radovi, nečiji govor ili nametljiva glazba. Svaki od zvukova nosi određenu informaciju i čovjek na njih drugačije reagira. Stoga je proučavanje prirode zvuka jedan od važnih i zabavnih dijelova fizike. Pri proučavanju mehaničkih valova moguće ih je vizualno prikazati, a zvučne valove prikazati kao apstraktni model.

Zvučni valovi su vibracije čestica zraka koje se šire u svim smjerovima od mjesta odakle zvuk nastaje.

Teorija zvuka kaže: ako bilo koje fizičko tijelo čini oscilatorne pokrete - žica gitare, glasnica, elastična metalna ploča - bez obzira na sve, širit će iste vibracije oko sebe.

Zanimalo nas je pitanje ima li zvučni val doista oblik vala i ako ima, kako ga vizualizirati?

Rješenje za prikaz zvučnog vala u stvarnosti pronašli smo u iskustvu njemačkog eksperimentalnog fizičara Heinricha Rubensa pod nazivom "Rubensova cijev".

Val je pobuda medija koja se širi u prostoru i vremenu ili u faznom prostoru uz prijenos energije i bez prijenosa mase. Drugim riječima, val ili val je vremenski promjenjiva prostorna izmjena maksimuma i minimuma bilo koje fizikalne veličine - na primjer, gustoće tvari, jakosti električnog polja, temperature.

Valovi su različitih vrsta:

Ako u valu čestice medija dožive pomak u smjeru okomitom na smjer širenja, tada se val naziva transverzalnim;

Ako se pomak čestica medija događa u smjeru širenja vala, tada se val naziva longitudinalnim.

I kod transverzalnih i kod longitudinalnih valova nema prijenosa tvari u smjeru širenja valova.

U procesu širenja čestice medija samo osciliraju oko ravnotežnih položaja. Međutim, valovi prenose energiju oscilacija s jedne točke medija na drugu. karakteristična značajka mehaničkih valova je da se šire u materijalnim medijima (krutim, tekućim ili plinovitim). Postoje valovi koji se mogu širiti i u vakuumu (na primjer, svjetlosni valovi). Za mehaničke valove potreban je medij koji ima sposobnost pohranjivanja kinetičke i potencijalne energije. Stoga medij mora imati inertna i elastična svojstva. U stvarnim okruženjima ta su svojstva raspoređena po cijelom volumenu. Tako, na primjer, svaki mali element čvrstog tijela ima masu i elastičnost.

Za praksu su od velikog interesa jednostavni harmonijski ili sinusoidni valovi. Karakterizirane su amplitudom (A) oscilacija čestica, frekvencijom (f) i valnom duljinom (?).

Valna duljina - udaljenost je između dviju susjednih točaka na osi OX, koje osciliraju u istim fazama.

Udaljenost jednaka valnoj duljini ?, val prolazi u vremenu jednakom periodu oscilacije (T), dakle, \u003d T, gdje je brzina širenja vala.

Zvuk je fizikalna pojava koja predstavlja širenje mehaničkih vibracija u obliku elastičnih valova u čvrstom, tekućem ili plinovitom mediju.

Zvučni valovi mogu poslužiti kao primjer oscilatornog procesa. Svaka fluktuacija povezana je s kršenjem ravnotežnog stanja sustava i izražava se u odstupanju njegovih karakteristika od ravnotežnih vrijednosti s naknadnim povratkom na izvornu vrijednost. Za zvučne vibracije takva je karakteristika tlak u točki medija, a njegovo odstupanje je zvučni tlak.

Ako napravite oštar pomak čestica elastičnog medija na jednom mjestu, na primjer, pomoću klipa, tada će se pritisak povećati na ovom mjestu. Zahvaljujući elastičnim vezama čestica, pritisak se prenosi na susjedne čestice, koje zauzvrat djeluju na sljedeće, a područje povećanog tlaka, takoreći, kreće se u elastičnom mediju. Područje visokog tlaka praćeno je područjem niskog tlaka i tako nastaje niz izmjeničnih područja kompresije i razrijeđenosti koja se u mediju šire u obliku vala. Svaka će čestica elastičnog medija u tom slučaju oscilirati.

U tekućim i plinovitim medijima, gdje nema značajnih fluktuacija gustoće, akustični valovi su longitudinalne prirode, odnosno smjer titranja čestica poklapa se sa smjerom gibanja valova. U čvrstim tijelima, osim uzdužnih, nastaju i elastične posmične deformacije koje uzrokuju pobudu transverzalnih (posmičnih) valova; u tom slučaju čestice osciliraju okomito na smjer širenja vala.

Brzina širenja longitudinalnih valova mnogo je veća od brzine širenja posmičnih valova.

stojni valovi

Stojni val - oscilacije u distribuiranim oscilatornim sustavima s karakterističnim rasporedom izmjeničnih maksimuma i minimuma amplitude. U praksi takav val nastaje prilikom refleksije od prepreka i nehomogenosti kao rezultat superpozicije odbijenog vala na upadni. Pri tome su iznimno važni frekvencija, faza i koeficijent slabljenja vala na mjestu refleksije. Stojnim valom se naziva i val koji nastaje kao rezultat superpozicije dva putujuća sinusoidalna vala koji se šire jedan prema drugome i imaju iste frekvencije i amplitude, a u slučaju transverzalnih valova i istu polarizaciju. Primjeri stojnog vala su titraji žice, titraji zraka u cijevi orgulja.

Stojni valovi nastaju kada se dva putujuća vala šire jedan prema drugom s istim frekvencijama i amplitudama. Praktički stojni valovi nastaju kada se reflektiraju od prepreka.

Čisto stojni val, strogo govoreći, može postojati samo ako nema gubitaka u mediju i ako se valovi potpuno reflektiraju od granice. Obično u mediju osim stojnih valova postoje i putujući valovi koji energiju dovode do mjesta njezine apsorpcije ili emisije.

U slučaju harmonijskih oscilacija u jednodimenzionalnom sredstvu, stojni val opisuje se formulom - faza.

Stojni valovi su rješenja valnih jednadžbi. Mogu se zamisliti kao superpozicija valova koji se šire u suprotnim smjerovima.

Kada u sredstvu postoji stojni val, postoje točke u kojima je amplituda titranja jednaka nuli. Te se točke nazivaju čvorovi stojnog vala. Točke u kojima titraji imaju najveću amplitudu nazivaju se antinodi.

fizičko iskustvo

John Le Conte otkrio je osjetljivost plamena na zvuk 1858. Godine 1862. Rudolf König pokazao je da se visina plamena može promijeniti slanjem zvuka u izvor plina, a promjene tijekom vremena mogu se prikazati pomoću rotirajućih zrcala. August Kundt je 1866. demonstrirao akustične stojne valove stavljanjem sjemenki mahovine ili prašine kore u cijev. Kada je zvuk lansiran u cijev, čvorovi (točke u kojima je amplituda minimalna) i antinodi (antičvorovi - područja u kojima je amplituda maksimalna) formiraju se od sjemenki, formiranih stojnim valom. Kasnije, već u 20. stoljeću, Ben (Behn) je pokazao da mali plamen može poslužiti kao osjetljiv indikator pritiska. Konačno, 1904. godine, pomoću ova dva važna eksperimenta, Heinrich Rubens, po kojem je ovaj eksperiment dobio ime, uzeo je cijev od 4 metra, izbušio 200 malih rupa u njoj u koracima od 2 cm i napunio je zapaljivim plinom. Nakon što je zapalio plamen (visina plamena je približno jednaka cijelom dužinom cijevi), primijetio je da zvuk doveden do kraja cijevi stvara stojni val valne duljine ekvivalentne valnoj duljini ulaznog zvuka. . Krigar - Menzel (O. Krigar - Menzel) pomogao je Rubensu oko teorijske strane fenomena.

Heinrich Rubens - njemački eksperimentalni fizičar, autor znanstvenih radova o optici, spektroskopiji, fizici toplinskog zračenja.

Rubensova cijev - fizički eksperiment za demonstraciju stojnog vala, temeljen na odnosu između zvučnih valova i tlaka zraka (ili plina).

Riža. 1. Heinrich Rubens

Ponovili smo fizikalni eksperiment Rubensa. Da bismo to učinili, trebali smo: metalnu cijev od metra, zvučni zvučnik, limenku plina (propan).

U metalnoj cijevi svaki centimetar izbušene su rupe promjera 1,4 mm. S jedne strane na cijev je bio spojen plin, a s druge zvučnik. Svi elementi su hermetički zatvoreni kako bi se spriječilo curenje plina.

Promjenom količine dovedenog plina i razine zvuka postignuta je valovita slika.

Otkrili smo da ako koristite zvuk na konstantnoj frekvenciji, tada se unutar cijevi može formirati stojeći val svjetla. To je zato što kada je zvučnik uključen, u cijevi se formiraju područja visokog i niskog tlaka. Tamo gdje postoji područje povećanog tlaka, više plina curi kroz rupe i visina plamena je veća i obrnuto. Zahvaljujući tome, moguće je izmjeriti valnu duljinu jednostavnim mjerenjem udaljenosti između vrhova ravnalom.

Usporedimo teorijske i praktične vrijednosti valne duljine.

Podsjetimo se da je valna duljina udaljenost između dviju točaka najbližih jedna drugoj, koje osciliraju u istim fazama. Valnu duljinu izračunat ćemo pomoću formule:

gdje je brzina zvučnog vala, v je frekvencija.

900 Hz 1000 Hz

Budući da imamo propan u cijevi, brzina zvuka će se izračunati po formuli:

gdje je adijabatski indeks (za poliatomske plinove, adijabatski indeks je 4/3), R je univerzalna plinska konstanta, jednaka 8,31 J / (mol.K), T \u003d 273 K, budući da je eksperiment proveden pod normalnim uvjetima, molarna masa propana je 44.1.10-3 kg/mol.

Zamjenom svih vrijednosti u formulu za izračunavanje brzine zvuka u plinu, dobivamo:

Na temelju rezultata mjerenja i izračuna sastavit ćemo tablicu.

Tijekom izračuna može doći do pogrešaka koje se javljaju tijekom zaokruživanja. Također, plin propan korišten u eksperimentu mogao bi sadržavati nečistoće, temperatura plina tijekom eksperimenta mogla bi se promijeniti, netočnost rupa u cijevi.

Zaključak

Zahvaljujući iskustvu Rubensa, postalo je moguće prikazati zvučni val pravi primjer, tako je postalo moguće dokazati teoreme i hipoteze temeljene na praksi.

Također, iskustvo s Rubensovom cijevi može se koristiti u školama na nastavi fizike za vizualniji prikaz zvučnog vala, uz poštivanje svih sigurnosnih zahtjeva.

Bibliografska poveznica

Cijev je napunjena zapaljivim plinom, tako da plin koji curi kroz rupe gori. Ako se koristi konstantna frekvencija, unutar cijevi se može stvoriti stojni val. Kada je zvučnik uključen, u cijevi se formiraju područja visokog i niskog tlaka. Tamo gdje postoji područje visokog tlaka zbog zvučnih valova, više plina curi kroz rupe i visina plamena je veća. Zahvaljujući tome, moguće je izmjeriti valnu duljinu jednostavnim mjerenjem udaljenosti između vrhova metarskom trakom.

Za eksperiment će vam trebati

Faze eksperimenta

1. Označavamo i bušimo rupe u aluminijskoj cijevi.
2. Prerežite plastični lijevak na pola.
3. Jedan dio lijevka pričvrstimo na cijev pomoću armirane trake.
4. Drugi dio lijevka pričvrstimo na stup pomoću pištolja za vruće ljepilo.
5. Aluminijsku cijev pričvrstimo na stup pomoću armirane trake. Rupe napravljene u cijevi trebaju biti na vrhu.
6. Spojimo plinski cilindar na cijev s crijevom.
7. Otvorimo cilindar i zapalimo plin koji izlazi iz rupa u cijevi.
8. Uključite generator audio frekvencije i pošaljite zvuk u zvučnik. Možete eksperimentirati s frekvencijom zvuka.

Danci iz Fysikshowa spojili su odavno poznate eksperimente - Chladnijeve figure i Rubensovu cijev - i napravili dvodimenzionalnu Rubensovu cijev. Ovo je očaravajući prizor!

Chladni likovi

Ukratko o principu rada: izlaz zvučnika je usmjeren u kutiju, au njoj se pobuđuju stojni valovi. Da bi val bio stojeći, u duljinu kutije mora stati cijeli broj poluvalnih duljina, tada se takav val superponira sam na sebe i dolazi do rezonancije, a zove se moda. U stojnom valu razlikuju se antinod (amplituda maksimum) i čvor (amplituda minimum, praktički nula).

Zbog činjenice da kutija ima mnogo rezonantnih načina (na primjer, 100 Hz, 200 Hz, 300 Hz i tako dalje), mnoge frekvencije iz ulaznog audio signala se pojačavaju i rezoniraju odjednom.

Slika interakcije i interferencije takvih valova je sama po sebi lijepa. U antinodijama zrnca pijeska snažno titraju i raspršuju se; vibracije u čvorovima su minimalne, a raspršena zrnca pijeska su koncentrirana na tim mjestima. Ovo je najjednostavniji vizualizator čvorova i antinoda stojnog vala.

Dobivene slike nazivaju se Chladnijeve figure, po fizičaru koji ih je prvi proučavao.

Rubensova cijev

Rubensova cijev je vizualizator stojnih valova koji radi na drugačijem principu. Zaključak je da je u antinodima stojnog vala u plinu tlak plina viši, a u čvorovima niži. Ako se u metalnoj cijevi pobudi stojni val, tlak u njoj bit će raspoređen na isti način kao i antinodi stojnog vala. Ako se u cijev ubrizga zapaljivi plin (obično se koristi propan, gori svijetlim dimnim plamenom), a rupe se izbuše duž cijele duljine cijevi - vatrene baklje će imati različite visine, odražavajući sliku val.

2D Rubensova cijev

Kombinirajući ova dva fenomena, možete dobiti zapanjujuću sliku.

U goste danskim geekovima došla je Veritasium blog ekipa koja je snimila još cool video:

Broj pregleda: 176

Komad cijevi, probušen cijelom dužinom. Jedan kraj je spojen na mali zvučnik, a drugi kraj je spojen na izvor zapaljivog plina (spremnik za propan). Cijev je napunjena zapaljivim plinom, tako da plin koji curi kroz rupe gori. Ako se koristi konstantna frekvencija, unutar cijevi se može stvoriti stojni val. Kada je zvučnik uključen, u cijevi se formiraju područja visokog i niskog tlaka. Tamo gdje postoji područje visokog tlaka zbog zvučnih valova, više plina curi kroz rupe i visina plamena je veća. Zahvaljujući tome, moguće je izmjeriti valnu duljinu jednostavnim mjerenjem udaljenosti između vrhova metarskom trakom.

Priča

Napišite recenziju na članak "Rubensova cijev"

Bilješke

Linkovi

• uključujući zvučnu ploču i mikrofon.
• , video i detaljna analiza
• postavljanje i objašnjenje učinaka
• vodič
• vodič za postavljanje
• o Rubensu" izvorni dizajn (u .doc formatu)
• prikazuje postavku
• informacija
• , pod naslovom "Veze" i vrlo lijepa fotografija koja ilustrira ovaj eksperiment
• , kućni video koji prikazuje razne tonove i glazbu koja se svira (02:51)
• , Ruben's Tube izvedba Alyce Santoro
• , Rubensov eksperiment s cijevi (ruski titlovi)

Odlomak koji karakterizira Rubensovu trubu