Измерване на звукови вълни с тръба на Рубенс. Рубенс тромпет. За експеримента ще ви трябва

Представяме на вашето внимание една интересна идея за изработка на пожарна тръба или тръба на Рубенс, както мнозина я наричат.

Какво ни трябва:
- мощен усилвател;
- проводници за свързване на телефона и високоговорителя към усилвателя;
- пистолет за лепило;
- високоговорители;
- пластмасова тръба;
- газова бутилка;
- дюза за газова бутилка;
- пробивна машина;
- пластмасов контейнер;
- алуминиева тръба с дължина около метър.

Първо, върху алуминиевата тръба, трябва да направите дупки на всеки един сантиметър.

След това загряваме желязната тръба и я използваме, за да направим дупка в пластмасовия контейнер.

Сега трябва да изрежете в пластмасовия контейнер, така че високоговорителят да пасне плътно в него.

Свързваме два проводника към високоговорителя в правилната последователност.

Залепваме и изолираме проводниците с горещо лепило.

Поставяме високоговорителя в пластмасов контейнер и също го залепваме добре с горещо лепило.

След това прикрепяме високоговорителя към алуминиевата тръба. Не е нужно да се притеснявате, че високоговорителят и горещото лепило може да се разтопят, тъй като огънят няма да достигне тази част.

От другата страна на тръбата трябва да свържете балона. За целта ще използваме пластмасова тръба, капак и парче пластмасова тръба с алуминиев диаметър, която се използва като основа.

Правим малка дупка в капака и прикрепяме към него пластмасова тръба.

След това поставяме капака в парче дебела тръба и изолираме всичко старателно с горещо лепило.

Поставете дюзата за кутията в свободния край на пластмасовата тръба.
В резултат на това трябва да получим нещо като показаното на фигурата по-долу.

Тръбата на Рубенс трябва да бъде фиксирана в една позиция, например, като я държите в менгеме.

След това, в правилната последователност, свързваме всички проводници. Свързваме два проводника от високоговорителя към усилвателя, а един проводник от усилвателя е свързан към мобилния телефон.

От друга страна дърпаме дебелата пластмасова тръба върху алуминиевата, за да държи добре.

Накрая свързваме дюзата за газовия патрон към самата бутилка. Имайте предвид, че авторът на идеята не препоръчва да експериментирате с това

Перфорирана тръбна секция с пълна дължина. Единият край се свързва към малък високоговорител, а другият се свързва към източник на запалим газ (резервоар за пропан). Тръбата е пълна със запалим газ, така че газът, излизащ през отворите, изгаря. Ако се използва постоянна честота, в тръбата може да се образува стояща вълна. Когато високоговорителят е включен, в тръбата се образуват зони с високо и ниско налягане. Когато има зона с повишено налягане поради звуковите вълни, повече газ се просмуква през дупките и височината на пламъка е по-висока. Благодарение на това можете да измерите дължината на вълната, като просто измерите разстоянието между върховете с рулетка.

История

Напишете отзив за статията "Рубенсова тръба"

Бележки (редактиране)

Връзки

включително звукова платка и микрофон.
, видео и подробен анализ
настройка и обяснение на ефектите
ръководство
ръководство за настройка
на Рубенс "оригинален дизайн (в .doc формат)
показване на настройка
информация
, под заглавието "Връзки" и много хубава снимка, илюстрираща този експеримент
, домашно видео, показващо възпроизвеждане на различни тонове и музика (2:51)
, представлението на Ruben's Tube от Алис Санторо
Експеримент с тръмпата на Рубенс (руски субтитри)

Откъс от Тръмпата на Рубенс

- Не, Север. Не мога. Но ще се радвам, ако останеш с мен... Радвам се да те видя - тъжно отговорих аз и след пауза добавих: - Имаме една седмица... Тогава Карафа най-вероятно ще ни отнеме краткия живот. Кажете ми, наистина ли струват толкова малко? .. Можем ли да си тръгнем така лесно, както Магдалена? Наистина ли няма никой, който да изчисти нашия свят, Север, от това нечовешко? ..
- Не дойдох при теб, за да отговарям на стари въпроси, приятелю... Но трябва да си призная - ти ме накара да променя мнението си, Изидора... Ти ме накара да видя отново това, което се опитвах да забравя от години. И аз съм съгласен с теб - грешим... Нашата истина е твърде "тясна" и нечовешка. Това удушава сърцата ни... И ние ставаме твърде студени, за да преценим правилно какво се случва. Магдалена беше права, като каза, че нашата Вяра е мъртва... Както си права, Изидора.
Стоях втренчен в него, онемял, неспособен да повярвам на това, което чух!.. Беше ли онзи горд и винаги прав Север, който не допускаше никаква, дори и най-малката критика към неговите велики Учители и любимата му Метеора? !!
Не свалях очи от него, опитвайки се да проникна в чистата му, но плътно затворена от всички душа ... Какво промени установеното му мнение от векове?! Какво ви накара да погледнете на света по-човешки? ..
- Знам, изненадах те, - усмихна се тъжно Север. - Но дори и това, че ви отворих, няма да промени това, което се случва. Не знам как да унищожа Карафа. Но нашият Бял Маг знае това. Искаш ли да отидеш отново при него, Изидора?
- Мога ли да попитам какво те промени, Север? — попитах предпазливо, без да обръщам внимание на последния му въпрос.
Той се замисли за момент, сякаш се опитваше да отговори възможно най-правдиво...
- Случи се много отдавна... От деня, в който почина Магдалена. Не съм простил на себе си и на всички нас за нейната смърт. Но нашите закони явно живееха твърде дълбоко в нас и аз не намирах сили да го призная. Когато дойде - живо ми напомни за всичко, което се случи тогава... Ти си също толкова силна и същото отдаване на себе си за тези, които имат нужда от теб. Ти разбуни спомена в мен, който се опитвах да убия от векове... Ти съживи Златната Мария в мен... Благодаря ти за това, Изидора.
Скривайки се много дълбоко, болката крещеше в очите на Север. Беше толкова много, че ме заля с главата!.. И не можех да повярвам, че най-после отворих топлата му, чиста душа. Че най-накрая отново беше жив! ..
- Север, какво да правя? Не те ли е страх, че светът се управлява от такива нечовеци като Карафа? ..
- Вече ти предложих, Изидора, пак ще отидем в Метеора да видим Владика... Само той може да ти помогне. Аз, за съжаление, не мога...
За първи път почувствах разочарованието му толкова ясно... Разочарование от моята безпомощност... Разочарование от начина, по който живее... Разочарование от остарялата му ИСТИНА...
Очевидно човешкото сърце не винаги е в състояние да се бори с това, с което е свикнало, в което е вярвало през целия си съзнателен живот... Така че Северът - той не може да се промени толкова просто и напълно, дори да знае, че греши. Той живее векове, вярвайки, че помага на хората... вярвайки, че прави точно това, един ден ще трябва да спаси нашата несъвършена Земя, ще трябва да й помогне най-накрая да се роди... Вярвах в доброто и в бъдеще, въпреки загубите и болката, които биха могли да бъдат избегнати, ако бях отворил сърцето си по-рано...
Но всички ние, очевидно, сме несъвършени - дори Северът. И колкото и болезнено да е разочарованието, човек трябва да живее с него, поправяйки някои стари грешки и допускайки нови, без които земният ни живот би бил фалшив...
- Имаш ли малко време за мен, Север? Бих искал да знам какво не сте имали време да ми кажете при последната ни среща. Уморих ли те с въпросите си? Ако да, кажи ми и ще се опитам да не те притеснявам. Но ако се съгласиш да говориш с мен, ще ми направиш прекрасен подарък, защото това, което знаеш, никой няма да ми каже, докато съм още тук на Земята...
- А какво ще кажете за Анна? .. Не предпочитате ли да прекарвате време с нея?
- Обадих й се... Но моето момиче сигурно спи, защото не отговаря... Уморена е, мисля. Не искам да нарушавам спокойствието й. Затова говори с мен, Север.

Датчаните от Fysikshow комбинират своите отдавна познати експерименти: фигури на Хладни и тръбата на Рубенс - и направиха двуизмерна тръба на Рубенс. Това е хипнотизираща гледка!

Фигури на Хладни

Накратко за принципа на работа: изходът на високоговорителя е насочен в кутията и в нея се възбуждат стоящи вълни. За да стои вълната, в дължината на кутията трябва да се побере цял брой дължини на половин вълна, след това такава вълна се наслагва върху себе си и възниква резонанс и се нарича мода... При стояща вълна се разграничават антивъзел (максимална амплитуда) и възел (минимална амплитуда, практически нула).

Поради факта, че кутията има много резонансни режими (например 100Hz, 200Hz, 300Hz и така нататък), много честоти от входния аудио сигнал се усилват и резонират наведнъж.

Картината на взаимодействието и намесата на такива вълни е красива сама по себе си. В антивъзлите песъчинките вибрират силно и се разпръскват; във възлите трептенията са минимални, а разпръснатите песъчинки са концентрирани на тези места. Това е най-простият визуализатор на възлите и антивъзлите на стояща вълна.

Получените картини се наричат фигури на Хладни на името на физика, който пръв ги е изучил.

Рубенс тромпет

Тръбата на Рубенс е визуализатор на стояща вълна, който работи на различен принцип. Изводът е, че в антивъзлите на стоящата вълна в газа налягането на газа е по-високо, а във възлите е по-ниско. Ако възбудите стояща вълна в метална тръба, налягането в нея ще се разпредели по същия начин като антивъзлите на стояща вълна. Ако в тръбата се инжектира запалим газ (обикновено се използва пропан, той гори с ярък опушен пламък) и се пробият дупки по цялата дължина на тръбата, факелите ще имат различна височина, отразявайки модела на вълната.

Двуизмерна тръба на Рубенс

Чрез комбиниране на тези две явления може да се получи зашеметяваща картина.

Екипът на блога на Veritasium дойде при датските маниаци и те заснеха още по-готино видео:

Преглеждания на публикацията: 176

А. А. Кудашов (Кузнецк, MBOU средно училище номер 14)

1. "Физика 9" A.V. Перушкин, Е.М. Гутник.

2. "Физика 11" Г.Я. Мякішев, Б.Б. Буховцев и No 8622/0790 др.

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.

Всеки ден всеки от нас, хората, е изложен на много фактори. Това са миризми, топлинни ефекти, излъчване от различни устройства и, разбира се, звуци. Звуците ни заобикалят навсякъде, често не можем да ги изберем – шум от преминаващи коли, работа на строителна площадка, нечия реч или натрапчива музика. Всеки от звуците носи определена информация и човек реагира на тях по различен начин. Следователно изучаването на природата на звука е една от важните и забавни части на физиката. При изучаване на механични вълни е възможно да се визуализират, а звуковите вълни се представят като абстрактен модел.

Звуковите вълни са вибрации на въздушни частици, които се движат във всички посоки, откъдето произлиза звукът.

Теорията на звука казва: ако някое физическо тяло извършва осцилаторни движения – струна на китара, гласна струна, еластична метална пластина – независимо от всичко, то ще разпространява същите вибрации около себе си.

Интересува ни въпросът дали звуковата вълна наистина има вълнообразна форма и ако да, как може да се визуализира?

Намерихме решението да покажем звукова вълна в реалността в експеримента на немския експериментален физик Хайнрих Рубенс, наречен „Тръба на Рубенс“.

Вълна - възбуждане на средата, разпространяващо се в пространството и времето или във фазовото пространство с пренос на енергия и без пренос на маса. С други думи, вълни или вълна се наричат променящото се във времето пространствено редуване на максимумите и минимумите на всяка физическа величина - например плътността на веществото, силата на електрическото поле и температурата.

Вълните са от различни видове:

Ако във вълна частиците на средата изпитват изместване в посока, перпендикулярна на посоката на разпространение, тогава вълната се нарича напречна;

Ако изместването на частиците на средата става в посока на разпространение на вълната, тогава вълната се нарича надлъжна.

И при напречните, и при надлъжните вълни преносът на материята в посоката на разпространение на вълната не се осъществява.

В процеса на разпространение частиците на средата осцилират само около равновесните позиции. Въпреки това, вълните пренасят вибрационната енергия от една точка на средата в друга. Характерна особеност на механичните вълни е, че те се разпространяват в материални среди (твърди, течни или газообразни). Има вълни, които могат да се разпространяват в празнота (например светлинни вълни). За механичните вълни е необходима среда, която има способността да съхранява кинетична и потенциална енергия. Следователно средата трябва да има инертни и еластични свойства. В реална среда тези свойства са разпределени в целия обем. Така, например, всеки малък елемент от твърдо тяло има маса и еластичност.

Простите хармонични или синусоидални вълни представляват значителен интерес за практиката. Те се характеризират с амплитудата (A) на трептенията на частиците, честотата (f) и дължината на вълната (?).

Дължината на вълната е разстоянието между две съседни точки по оста OX, които осцилират в същите фази.

На разстояние, равно на дължината на вълната ?, вълната пътува за време, равно на периода на трептене (T), следователно = T, където е скоростта на разпространение на вълната.

Звукът е физическо явление, което представлява разпространението на механични вибрации под формата на еластични вълни в твърда, течна или газообразна среда.

Звуковите вълни са пример за осцилаторен процес. Всяко трептене е свързано с нарушение на равновесното състояние на системата и се изразява в отклонение на нейните характеристики от равновесните стойности с последващо връщане към първоначалната стойност. За звуковите вибрации такава характеристика е налягането в точка от средата, а отклонението му е звуковото налягане.

Ако направите рязко изместване на частиците на еластичната среда на едно място, например, с помощта на бутало, тогава налягането ще се увеличи на това място. Благодарение на еластичните връзки на частиците, налягането се прехвърля към съседни частици, които от своя страна действат върху следващите, а зоната на повишено налягане изглежда се движи в еластична среда. Областта на повишено налягане е последвана от област на понижено налягане и по този начин се образуват поредица от редуващи се области на компресия и депресия, които се разпространяват в средата под формата на вълна. В този случай всяка частица от еластичната среда ще осцилира.

В течни и газообразни среди, където няма значителни флуктуации в плътността, акустичните вълни имат надлъжен характер, тоест посоката на вибрация на частиците съвпада с посоката на движение на вълната. В твърдите тела освен надлъжни деформации възникват и еластични деформации на срязване, предизвикващи възбуждане на напречни (срязващи) вълни; в този случай частиците осцилират перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната.

Скоростта на разпространение на надлъжните вълни е много по-висока от скоростта на разпространение на срязващите вълни.

Стоящи вълни

Стояща вълна - трептения в разпределени осцилаторни системи с характерна подредба на редуващи се амплитудни максимуми и минимуми. На практика такава вълна възниква от отражения от препятствия и нехомогенности в резултат на наслагването на отразената вълна върху падащата. В този случай честотата, фазата и коефициентът на затихване на вълната в точката на отражение са изключително важни. Стояща вълна се нарича още вълна, образувана в резултат на наслагването на две пътуващи синусоидални вълни, които се разпространяват една към друга и имат еднакви честоти и амплитуди, а в случай на напречни вълни и една и съща поляризация. Примери за стояща вълна са вибрациите на струните, вибрациите на въздуха в тръбата на орган.

Стоящите вълни се образуват, когато се наслагват две пътуващи вълни, които се разпространяват една към друга със същите честоти и амплитуди. На практика стоящите вълни възникват, когато се отразяват от препятствия.

Чисто стояща вълна, строго погледнато, може да съществува само при липса на загуби в средата и пълно отражение на вълните от границата. Обикновено освен стоящи вълни в средата присъстват и движещи се вълни, доставящи енергия до местата на нейното поглъщане или излъчване.

В случай на хармонични трептения в едномерна среда, стоящата вълна се описва с формулата u = u0cos kx cos (? T -), където u е смущението в точка x в момент t, u0 е амплитудата на стояща вълна, честотата, k е вълновият вектор,? - фаза.

Стоящите вълни са решения на вълнови уравнения. Те могат да се разглеждат като суперпозиция на вълни, разпространяващи се в противоположни посоки.

Когато в среда съществува стояща вълна, има точки, амплитудата на трептения в които е равна на нула. Тези точки се наричат възли на стояща вълна. Точките, в които трептенията имат максимална амплитуда, се наричат антивъзли.

Физически опит

Джон Льо Конте открива чувствителността на пламъка към звука през 1858 г. През 1862 г. Рудолф Кьониг показа, че височината на пламъка може да бъде променена чрез изпращане на звук към източник на газ и промените във времето могат да бъдат показани с помощта на въртящи се огледала. Август Кунд през 1866 г. демонстрира акустични стоящи вълни чрез поставяне на семена или прах от кора в тръба. При пускане на звук в тръбата, възли (точки, където амплитудата е минимална) и антивъзли (антивъзли - области, където амплитудата е максимална) се образуват от семената, образувани от стояща вълна. По-късно, през 20-ти век, Бен (Бен) показа, че малък пламък може да служи като чувствителен индикатор за налягане. Накрая, през 1904 г., използвайки тези два важни експеримента, Хайнрих Рубенс, на когото е кръстен този експеримент, взема 4-метрова тръба, пробива в нея 200 малки дупки с стъпка 2 см и я напълва със запалим газ. След като запали пламъка (височината на светлините е приблизително еднаква по цялата дължина на тръбата), той забеляза, че звукът, подаден към края на тръбата, създава стояща вълна с дължина на вълната, еквивалентна на дължината на вълната на подавания звук . Кригар - Менцел (O. Krigar - Menzel) помогна на Рубенс с теоретичната страна на явлението.

Хайнрих Рубенс - немски експериментален физик, автор на научни трудове по оптика, спектроскопия, физика на топлинното излъчване.

Тръбата на Рубенс е физически експеримент за демонстриране на стояща вълна въз основа на връзката между звуковите вълни и налягането на въздуха (или газа).

Ориз. 1. Хайнрих Рубенс

Повторихме физическия опит на Рубенс. За да направим това, ни трябваха: метална тръба с дължина метър, звуков високоговорител, кутия с газ (пропан).

През всеки сантиметър в металната тръба бяха пробити дупки с диаметър 1,4 мм. От едната страна на тръбата беше подаден газ, а от другата - звуков високоговорител. Всички елементи са плътно свързани, за да се изключи изтичането на газ.

Чрез промяна на количеството на подавания газ и нивото на звука постигнахме вълнообразна картина.

Открихме, че ако използвате звук с постоянна честота, тогава в тръбата може да се образува стояща вълна от светлини. Това е така, защото когато високоговорителят е включен, в тръбата се образуват зони с високо и ниско налягане. Там, където зоната на повишено налягане, повече газ прониква през дупките и височината на пламъка е по-висока и обратно. Благодарение на това можете да измерите дължината на вълната, като просто измерите разстоянието между върховете с линийка.

Нека сравним теоретичните и практическите стойности на дължината на вълната.

Припомнете си, че дължината на вълната е разстоянието между две точки, които са най-близо една до друга, осцилиращи в едни и същи фази. Ще изчислим дължината на вълната по формулата:

където е скоростта на звуковата вълна, v е честотата.

900 Hz 1000 Hz

Тъй като имаме пропан в тръбата, скоростта на звука ще бъде изчислена по формулата:

където адиабатният показател (за многоатомни газове адиабатният показател е 4/3), R е универсалната газова константа, равна на 8,31 J / (mol K), T = 273 K, тъй като експериментът е проведен при нормални условия, моларната масата на пропана е 44.1.10-3 kg / mol.

Замествайки всички стойности във формулата за изчисляване на скоростта на звука в газ, получаваме:

Въз основа на резултатите от измерванията и изчисленията ще съставим таблица.

По време на изчисленията може да има неточности по време на закръгляването. Пропановият газ, използван в експеримента, също може да съдържа примеси, температурата на газа по време на експеримента може да се промени, неточността на дупките в тръбата.

Заключение

Благодарение на опита на Рубенс стана възможно да се представи звукова вълна на реален пример, като по този начин стана възможно да се докажат теореми и хипотези въз основа на практика.

Също така опитът с тръбата на Рубенс може да се използва в училищата в уроците по физика за по-визуално представяне на звуковата вълна, при спазване на всички изисквания за безопасност.

Библиографска справка

Никитина Ж.Ю., Никитин Д.С., Тугушева З.М. ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЗВУКОВИТЕ ВЪЛНИ. ТЪРБА РУБЕНС // Старт в науката. - 2016. - No 1. - С. 103-106;
URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id=21 (дата на достъп: 01.03.2020 г.).

Тръбата е пълна със запалим газ, така че газът, излизащ през отворите, изгаря. Ако се използва постоянна честота, в тръбата може да се образува стояща вълна. Когато високоговорителят е включен, в тръбата се образуват зони с високо и ниско налягане. Когато има зона с повишено налягане поради звуковите вълни, повече газ се просмуква през дупките и височината на пламъка е по-висока. Благодарение на това можете да измерите дължината на вълната, като просто измерите разстоянието между върховете с рулетка.

За експеримента ще ви трябва

инструмент:	владетел, маркер, бормашина, пистолет за горещо лепило, ножовка
Разходни материали:	скоч
Оборудване:	резервоар за пропан, високоговорител с високоговорител, звуков усилвател, звуков плейър (плейър, компютър и др.)
материали:	алуминиева тръба, пластмасова фуния

Етапи на експеримента

Маркираме и пробиваме дупки в алуминиевата тръба.
Нарежете пластмасовата фуния наполовина.
Прикрепяме една част от фунията към тръбата с помощта на подсилена лента.
Прикрепяме втората част от фунията към колоната с помощта на термичен пистолет за лепило.
Закрепваме алуминиевата тръба към колоната с помощта на подсилена лента. Отворите, направени в тръбата, трябва да са отгоре.
Свързваме газовия цилиндър към тръбата с помощта на маркуч.
Отваряме цилиндъра и запалваме газа, излизащ от дупките в тръбата.
Включваме генератора на аудио честота и прилагаме звук към високоговорителя. Можете да експериментирате със звуковата честота.