Facem o trompetă de foc sau o trompetă Rubens. Tub Rubens - experiment cu unde staționare Tub Rubens bidimensional

1

Kudashov A.A. (Kuznetsk, MBOU secundar școală gimnazială № 14)

1. „Fizica 9” A.V. Peryshkin, E.M. Gutnik.

2. „Fizica 11” G.Ya. Myakishev, B.B. Buhovtsev și nr 8622 / 0790 alții.

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

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

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

În fiecare zi, fiecare dintre noi, oamenii, suntem expuși la mulți factori. Acestea sunt mirosuri, efecte termice, radiații de la diverse dispozitive și, desigur, sunete. Sunetele ne înconjoară peste tot, de multe ori nu le putem alege - zgomotul mașinilor care trec, lucrările de construcții, discursul cuiva sau muzică intruzivă. Fiecare sunet poartă anumite informații și o persoană reacționează diferit la acestea. Prin urmare, studiul naturii sunetului este una dintre părțile importante și interesante ale fizicii. Când se studiază undele mecanice, este posibil să le reprezinte vizual, iar undele sonore sunt reprezentate ca un model abstract.

Undele sonore sunt vibrații ale particulelor de aer care se deplasează în toate direcțiile de la punctul de origine a sunetului.

Teoria sunetului spune: dacă orice corp fizic vibrează - o coardă de chitară, o coardă vocală, o placă metalică elastică - indiferent de ce, va răspândi aceleași vibrații în jurul său.

Am fost interesați de întrebarea dacă o undă sonoră are într-adevăr o formă de undă și, dacă da, cum poate fi vizualizată?

Am găsit soluția pentru afișarea unei unde sonore în realitate în experimentul fizicianului experimental german Heinrich Rubens numit „Rubens Trumpet”.

Unda este o excitație a unui mediu care se propagă în spațiu și timp sau în spațiul fazelor cu transfer de energie și fără transfer de masă. Cu alte cuvinte, undele sau undele sunt alternanța spațială a maximelor și minimelor oricăror mărime fizică- de exemplu, densitatea materiei, tensiunea câmp electric, temperatura.

Valurile vin în diferite tipuri:

Dacă într-o undă particulele mediului sunt deplasate într-o direcție perpendiculară pe direcția de propagare, atunci unda se numește transversală;

Dacă deplasarea particulelor de mediu are loc în direcția de propagare a undei, atunci unda se numește longitudinală.

Atât în ​​undele transversale, cât și în cele longitudinale, nu există transfer de materie în direcția de propagare a undei.

În procesul de propagare, particulele mediului oscilează doar în jurul pozițiilor de echilibru. Cu toate acestea, undele transferă energia vibrațională dintr-un punct în mediu în altul. Trăsătură caracteristică undele mecanice se propagă în medii materiale (solide, lichide sau gazoase). Există unde care se pot propaga în gol (de exemplu, unde luminoase). Undele mecanice necesită în mod necesar un mediu care are capacitatea de a stoca cinetică și energie potenţială. În consecință, mediul trebuie să aibă proprietăți inerte și elastice. În medii reale, aceste proprietăți sunt distribuite pe întregul volum. De exemplu, orice element mic al unui corp solid are masă și elasticitate.

Undele simple armonice sau sinusoidale prezintă un interes semnificativ pentru practică. Ele sunt caracterizate prin amplitudinea (A) a vibrațiilor particulelor, frecvența (f) și lungimea de undă (?).

Lungimea de undă este distanța dintre două puncte adiacente pe axa OX, oscilând în aceleași faze.

O distanţă egală cu lungimea de undă?, unda se deplasează într-un timp egal cu perioada de oscilaţie (T), deci = T, unde este viteza de propagare a undei.

Sunetul este un fenomen fizic care reprezintă propagarea sub formă de unde elastice vibratii mecaniceîn medii solide, lichide sau gazoase.

Undele sonore pot servi ca exemplu de proces oscilator. Orice oscilație este asociată cu o încălcare a stării de echilibru a sistemului și este exprimată prin abaterea caracteristicilor sale de la valorile de echilibru cu o revenire ulterioară la valoarea inițială. Pentru vibrațiile sonore, această caracteristică este presiunea într-un punct din mediu, iar abaterea acesteia este presiunea sonoră.

Dacă faceți o deplasare bruscă a particulelor unui mediu elastic într-un singur loc, de exemplu, folosind un piston, atunci presiunea în acest loc va crește. Datorită legăturilor elastice ale particulelor, presiunea este transmisă particulelor învecinate, care, la rândul lor, le afectează pe următoarele, iar zona de presiune crescută pare să se miște într-un mediu elastic. O regiune de înaltă presiune este urmată de o regiune de joasă presiune și astfel se formează o serie de regiuni alternante de compresie și rarefacție, care se propagă în mediu sub formă de undă. Fiecare particulă a mediului elastic în acest caz va efectua mișcări oscilatorii.

În mediile lichide și gazoase, unde nu există fluctuații semnificative ale densității, undele acustice sunt de natură longitudinală, adică direcția de vibrație a particulelor coincide cu direcția de mișcare a undei. La solide, pe lângă deformațiile longitudinale, apar și deformații elastice de forfecare, determinând excitarea undelor transversale (de forfecare); în acest caz, particulele oscilează perpendicular pe direcția de propagare a undei.

Viteza de propagare a undelor longitudinale este mult mai mare decât viteza de propagare a undelor de forfecare.

Valuri stătătoare

O undă staționară reprezintă oscilații în sisteme oscilatorii distribuite cu un aranjament caracteristic de maxime și minime de amplitudine alternativă. În practică, o astfel de undă apare în timpul reflexiilor din obstacole și neomogenități ca urmare a suprapunerii undei reflectate pe cea incidentă. În același timp, este extrem de important are frecvența, faza și coeficientul de atenuare al undei la locul de reflexie. O undă staționară este și o undă formată ca urmare a suprapunerii a două unde sinusoidale călătoare, care se propagă una spre alta și au aceleași frecvențe și amplitudini, iar în cazul undelor transversale, de asemenea, aceeași polarizare. Exemplele de undă staționară includ vibrațiile unei coarde și vibrațiile aerului într-o țeavă de orgă.

Undele stătătoare sunt formate prin suprapunerea a două unde călătoare care se propagă una spre alta cu aceleași frecvențe și amplitudini. Aproape undele staționare apar atunci când sunt reflectate de obstacole.

O undă pur staționară, strict vorbind, poate exista doar în absența pierderilor în mediu și a reflectării complete a undelor de la limită. De obicei, pe lângă undele stătătoare, mediul conține și unde călătoare care furnizează energie locurilor de absorbție sau emisie.

În cazul în care vibratii armoniceîntr-un mediu unidimensional, o undă staționară este descrisă prin formula u = u0cos kx cos(?t -), unde u este perturbația în punctul x la momentul t, u0 este amplitudinea undei staționare, este frecvența , k este vectorul de undă, ? - faza.

Undele stătătoare sunt soluții ale ecuațiilor de undă. Ele pot fi considerate ca o suprapunere a undelor care călătoresc în direcții opuse.

Când există o undă staționară într-un mediu, există puncte în care amplitudinea oscilațiilor este zero. Aceste puncte sunt numite noduri de unde staționare. Punctele în care oscilațiile au amplitudine maximă se numesc antinoduri.

Experiență fizică

John Le Conte a descoperit sensibilitatea flăcării la sunet în 1858. În 1862, Rudolf König a arătat că înălțimea unei flăcări poate fi modificată prin trimiterea sunetului într-o sursă de gaz, iar schimbările în timp puteau fi afișate folosind oglinzi rotative. August Kundt, în 1866, a demonstrat undele staţionare acustice punând seminţe de muşchi sau praf crustă într-un tub. Când sunetul a fost lansat în conductă, semințele au format noduri (puncte în care amplitudinea este minimă) și antinoduri (anti-noduri - zone în care amplitudinea este maximă), formate printr-o undă staționară. Mai târziu, deja în secolul al XX-lea, Behn a arătat că o flacără mică poate servi ca un indicator sensibil al presiunii. În cele din urmă, în 1904, folosind aceste două experimente importante, Heinrich Rubens, după care a fost numit acest experiment, a luat o țeavă de 4 metri, a făcut 200 de găuri mici la intervale de 2 cm și a umplut-o cu gaz inflamabil. După aprinderea flăcării (înălțimea flăcărilor este aproximativ aceeași pe toată lungimea țevii), a observat că sunetul adus la capătul țevii creează o undă staționară cu o lungime de undă echivalentă cu lungimea de undă a sunetului furnizat. Krigar - Menzel (O. Krigar - Menzel) l-a ajutat pe Rubens cu latura teoretică a fenomenului.

Heinrich Rubens - fizician experimental german, autor de lucrări științifice despre optică, spectroscopie și fizica radiațiilor termice.

Trâmbița Rubens este un experiment de fizică care demonstrează o undă staționară bazată pe relația dintre undele sonore și presiunea aerului (sau a gazului).

Orez. 1. Heinrich Rubens

Am repetat experimentul fizic al lui Rubens. Pentru aceasta aveam nevoie de: o țeavă metalică lungă de un metru, un difuzor audio, o bidon de gaz (propan).

ÎN teava metalica găuri cu un diametru de 1,4 mm au fost găurite la fiecare centimetru. Gazul era conectat la conductă pe de o parte, iar un difuzor audio pe de altă parte. Toate elementele sunt conectate ermetic pentru a preveni scurgerile de gaz.

Schimbând cantitatea de gaz furnizată și nivelul sunetului, am obținut o imagine de tip val.

Am descoperit că, dacă folosim sunet la o frecvență constantă, se poate forma un val de lumini în interiorul conductei. Acest lucru se datorează faptului că atunci când difuzorul este pornit, în conductă se formează zone de presiune înaltă și joasă. Acolo unde există o zonă de presiune crescută, mai mult gaz se scurge prin găuri, iar înălțimea flăcării este mai mare și invers. Datorită acestui lucru, puteți măsura lungimea de undă pur și simplu măsurând distanța dintre vârfuri cu o riglă.

Să comparăm valorile lungimii de undă teoretice și practice.

Amintiți-vă că lungimea de undă este distanța dintre două puncte cele mai apropiate unul de celălalt, oscilând în aceleași faze. Vom calcula lungimea de undă folosind formula:

unde este viteza undei sonore, v este frecvența.

900 Hz 1000 Hz

Deoarece avem propan în conductă, viteza sunetului va fi calculată folosind formula:

unde exponentul adiabatic (pentru gazele poliatomice exponentul adiabatic este 4/3), R este constanta universală a gazului egală cu 8,31 J/(mol.K), T = 273 K, deoarece experimentul a fost efectuat în condiții normale, masa molara propanul este de 44,1,10-3 kg/mol.

Înlocuind toate valorile în formula de calcul a vitezei sunetului în gaz, obținem:

Pe baza rezultatelor măsurătorilor și calculelor, vom alcătui un tabel.

În timpul calculelor, pot apărea erori din cauza rotunjirii. De asemenea, gazul propan folosit în experiment ar putea conține impurități, temperatura gazului în timpul experimentului s-ar putea schimba, iar găurile din țeavă erau inexacte.

Concluzie

Datorită experienței lui Rubens, a devenit posibilă reprezentarea unei unde sonore folosind un exemplu real, făcând astfel posibilă demonstrarea teoremelor și ipotezelor bazate pe practică.

De asemenea, experiența cu trompeta Rubens poate fi folosită în școli la lecțiile de fizică pentru mai mult reprezentare vizuală undă sonoră, cu respectarea tuturor cerințelor de siguranță.

Link bibliografic

Nikitina Zh.Yu., Nikitin D.S., Tugusheva Z.M. STUDIUL UNDELOR SUNETARE. RUBENS TUBE // Începe în știință. – 2016. – Nr 1. – P. 103-106;
URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id=21 (data acces: 01/03/2020).

Vă prezentăm atenției idee interesanta la realizarea unei trompete de foc sau a unei trompete Rubens, așa cum o numesc mulți.

Ce avem nevoie:
- amplificator puternic;
- fire pentru conectarea telefonului si difuzorului la amplificator;
- pistol de lipici;
- difuzoare;
- tub de plastic;
- butelie de gaz;
- duza pentru o butelie de gaz;
- burghie;
- recipient din plastic;
- o teava de aluminiu lungime de aproximativ un metru.

Pentru început, trebuie să faceți găuri la fiecare centimetru pe țeava de aluminiu.

După aceasta, încălzim tubul de fier și îl folosim pentru a face o gaură în recipientul de plastic.

Acum trebuie să tăiați recipientul de plastic, astfel încât difuzorul să se potrivească bine în el.

Conectăm cele două fire la difuzor în ordinea corectă.

Lipim și izolăm firele folosind lipici fierbinte.

Introducem difuzorul într-un recipient de plastic și, de asemenea, îl sigilăm bine cu lipici fierbinte.

După aceasta, atașăm difuzorul la tubul de aluminiu. Nu trebuie să vă faceți griji cu privire la topirea difuzorului și a lipiciului fierbinte, deoarece focul nu va ajunge în acea parte.

Pe cealaltă parte a tubului trebuie să conectați un cilindru. Pentru a face acest lucru vom folosi un tub de plastic, un capac și o bucată de teava de plastic diametrul de aluminiu, care este folosit ca bază.

Facem o mică gaură în capac și atașăm un tub de plastic.

Apoi introducem capacul într-o bucată de tub gros și izolăm totul bine cu lipici fierbinte.

Introducem duza pentru cutie în capătul liber al tubului de plastic.
Ca rezultat, ar trebui să obținem ceva ca cel prezentat în figura de mai jos.

Tubul Rubens trebuie fixat într-o singură poziție, de exemplu prins într-o menghină.

Apoi conectăm toate firele în ordinea corectă. Conectăm două fire de la difuzor la amplificator și un fir de la amplificator la telefonul mobil.

Pe de altă parte, tragem tubul gros de plastic pe cel de aluminiu, astfel încât să se țină bine.

În cele din urmă, conectăm duza pentru butelia de gaz la butelia în sine. Rețineți că autorul ideii nu recomandă experimentarea cu aceasta

O bucată de țeavă perforată pe toată lungimea sa. Un capăt este conectat la un difuzor mic, iar celălalt la o sursă de gaz inflamabil (rezervor de propan). Conducta este umplută cu gaz inflamabil, astfel încât gazul care se scurge prin găuri ar arde. Dacă se utilizează o frecvență constantă, se poate forma o undă staționară în conductă. Când difuzorul este pornit, în conductă se formează zone de presiune înaltă și joasă. Acolo unde există o zonă de presiune crescută din cauza undelor sonore, mai mult gaz se scurge prin găuri și înălțimea flăcării este mai mare. Datorită acestui fapt, puteți măsura lungimea de undă pur și simplu măsurând distanța dintre vârfuri cu o bandă de măsurare.

Poveste

Scrieți o recenzie despre articolul „Rubens Trumpet”

Note

Legături

• inclusiv placa de sunet și microfon.
• , video și analiză detaliată
• configurarea și explicarea efectelor
• ghid
• ghid de configurare
• pe design original Rubens (în format .doc)
• afișând configurația
• informaţii
• , sub titlul „Linkuri” și o fotografie foarte frumoasă care ilustrează acest experiment
• , videoclip de acasă care arată diverse tonuri și muzică redată (2:51)
• Spectacolul Ruben's Tube de Alyce Santoro
• , Experiment cu trompeta lui Rubens (subtitrare în rusă)

Fragment ce caracterizează Trompeta lui Rubens

- Nu, Nord. Nu poţi. Dar mă voi bucura dacă rămâi cu mine... Mă bucur să te văd - i-am răspuns trist și după o mică pauză, am adăugat: - Avem o săptămână... Atunci Caraffa, cel mai probabil, o va lua pe a noastră. vieți scurte. Spune-mi, chiar valorează atât de puțin?.. Chiar o să plecăm la fel de ușor cum a plecat Magdalene? Chiar nu există nimeni care să curețe lumea noastră, Nordul, de această inumanitate?...
– Nu am venit la tine să răspund la întrebări vechi, prietene... Dar trebuie să recunosc - m-ai făcut să mă răzgândesc mult, Isidora... M-ai făcut să văd din nou ceea ce mă străduiam din greu să uit. ani. Și sunt de acord cu tine - greșim... Adevărul nostru este prea „îngust” și inuman. Ne sugrumă inimile... Și devenim prea reci pentru a judeca corect ce se întâmplă. Magdalena a avut dreptate când a spus că Credința noastră a murit... Așa cum ai dreptate, Isidora.
Am rămas uluit, uitându-mă la el, incapabil să cred ce auzeam!.. Era acesta același Nord mândru și mereu drept, care nu permitea nici măcar cea mai mică critică la adresa marilor ei Învățători și a iubitei sale Meteorei? !
Nu mi-am luat ochii de la el, încercând să-i pătrund sufletul pur, dar strâns închis de toată lumea... Ce i-a schimbat părerea veche de secole?!. Ce te-a determinat să privești lumea mai uman?...
„Știu, te-am surprins”, a zâmbit Sever trist. „Dar chiar și faptul că m-am deschis față de tine nu va schimba ceea ce se întâmplă.” Nu știu cum să-l distrug pe Karaffa. Dar Magul nostru Alb știe asta. Mai vrei să mergi la el, Isidora?
– Pot să întreb ce te-a schimbat, Sever? – am întrebat cu grijă, fără a fi atent la ultima lui întrebare.
S-a gândit o clipă, parcă ar fi încercat să răspundă cât mai sincer posibil...
– Asta s-a întâmplat cu foarte mult timp în urmă... Din ziua în care a murit Magdalena. Nu m-am iertat pe mine și pe noi toți pentru moartea ei. Dar legile noastre se pare că trăiau prea adânc în noi și nu am găsit puterea în mine să recunosc asta. Când ai venit, mi-ai amintit viu de tot ce s-a întâmplat atunci... Ești la fel de puternic și la fel de dăruitor pentru cei care au nevoie de tine. Mi-ai trezit o amintire pe care de secole încercam să o omor... Ai reînviat Maria de Aur din mine... Îți mulțumesc pentru asta, Isidora.
Ascunsă foarte adânc, durerea țipă în ochii lui Sever. Era atât de mult, încât m-a inundat complet!... Și nu-mi venea să cred că în sfârșit îi descoperisem sufletul cald și pur. Că în sfârșit era din nou în viață!...
- Nord, ce ar trebui să fac? Nu ți-e frică că lumea este condusă de astfel de non-oameni precum Caraffa?...
– Ți-am sugerat deja, Isidora, să mergem din nou la Meteora să-l vedem pe Domnul... Numai El te poate ajuta. Din păcate, nu pot...
Pentru prima dată, i-am simțit atât de clar dezamăgirea... Dezamăgire de neputința mea... Dezamăgire de felul în care a trăit... Dezamăgire de ADEVĂRUL lui învechit...
Aparent, inima unei persoane nu este întotdeauna capabilă să lupte cu ceea ce este obișnuit, ceea ce a crezut în toată viața sa adultă... La fel și Nordul - nu s-a putut schimba atât de ușor și complet, chiar și dând seama că a greșit. A trăit secole, crezând că îi ajută pe oameni... crezând că făcea exact ceea ce, într-o zi, va trebui să ne salveze Pământul imperfect, ar trebui să o ajute să se nască în sfârșit... El credea în bunătate și în viitor, în ciuda pierderilor și durerii pe care le-aș fi putut evita dacă mi-aș fi deschis inima mai devreme...
Dar toți suntem, aparent, imperfecți – chiar și nordul. Și oricât de dureroasă ar fi dezamăgirea, trebuie să trăim cu ea, corectând unele greșeli vechi și făcând altele noi, fără de care viața noastră pământească nu ar fi reală...
– Ai puțin timp pentru mine, Sever? Aș vrea să știu ce nu ai avut timp să-mi spui ultima dată când ne-am întâlnit. V-am obosit cu întrebările mele? Dacă da, spune-mi și voi încerca să nu te deranjez. Dar dacă ești de acord să vorbești cu mine, îmi vei face un cadou minunat, deoarece ceea ce știi, nimeni nu-mi va spune cât timp voi fi încă aici pe Pământ...
– Dar Anna?.. Nu preferi să petreci timp cu ea?
– Am sunat-o... Dar fata mea probabil doarme, pentru că nu răspunde... E obosită, cred. Nu vreau să-i tulbur pacea. Prin urmare, vorbește cu mine, North.

Conducta este umplută cu gaz inflamabil, astfel încât gazul care se scurge prin găuri ar arde. Dacă se utilizează o frecvență constantă, se poate forma o undă staționară în conductă. Când difuzorul este pornit, în conductă se formează zone de presiune înaltă și joasă. Acolo unde există o zonă de presiune crescută din cauza undelor sonore, mai mult gaz se scurge prin găuri și înălțimea flăcării este mai mare. Datorită acestui fapt, puteți măsura lungimea de undă pur și simplu măsurând distanța dintre vârfuri cu o bandă de măsurare.

Pentru experiment veți avea nevoie

Instrument:	riglă, marker, burghiu, pistol cu ​​lipici fierbinte, ferăstrău
Consumabile:	scotch
Echipament:	rezervor de propan, difuzor cu difuzor, amplificator de sunet, player de sunet (player, computer etc.)
Materiale:	teava de aluminiu, palnie din plastic

Etapele experimentului

1. Marcam și forăm găuri în țeava de aluminiu.
2. Tăiați pâlnia de plastic în jumătate.
3. Atașăm o parte a pâlniei de țeavă folosind bandă întărită.
4. Atașăm a doua parte a pâlniei pe coloană folosind un pistol de lipici fierbinte.
5. Fixăm țeava de aluminiu pe coloană folosind bandă întărită. Găurile făcute în țeavă ar trebui să fie în partea de sus.
6. Conectam butelia de gaz la conductă folosind un furtun.
7. Deschidem cilindrul și aprindem gazul care iese din găurile din țeavă.
8. Porniți generatorul de frecvență audio și trimiteți sunet la difuzor. Puteți experimenta cu frecvența sunetului.

Danezii de la Fysikshow au combinat experimente cunoscute de mult timp: figurile Chladni și trompeta lui Rubens - și au realizat o trompetă bidimensională a lui Rubens. Aceasta este o priveliște fascinantă!

Figuri de Chladni

Pe scurt despre principiul de funcționare: ieșirea difuzorului este direcționată în cutie, iar undele staționare sunt excitate în ea. Pentru ca o undă să fie în picioare, un număr întreg de semilungimi de undă trebuie să se potrivească în lungimea cutiei, apoi o astfel de undă se suprapune și are loc o rezonanță și se numește modă. Într-o undă staționară se disting un antinod (amplitudine maximă) și un nod (amplitudine minimă, aproape zero).

Datorită faptului că caseta are multe moduri de rezonanță (de exemplu, 100Hz, 200Hz, 300Hz și așa mai departe), multe frecvențe din semnalul audio de intrare sunt amplificate și rezonate.

Imaginea interacțiunii și interferenței unor astfel de unde este frumoasă în sine. La antinoduri, boabele de nisip vibrează puternic și zboară separat; la noduri vibratiile sunt minime, iar in aceste locuri sunt concentrate boabe de nisip imprastiate. Acesta este cel mai simplu vizualizator al nodurilor și antinodurilor unui val staționar.

Picturile rezultate sunt numite figuri Chladni, numite după fizicianul care le-a studiat pentru prima dată.

trompeta Rubens

Tubul Rubens este un aparat de imagine cu unde staționare care funcționează pe un principiu diferit. Ideea este că la antinodurile unei unde staționare într-un gaz presiunea gazului este mai mare, iar la noduri este mai mică. Dacă excitați o undă staționară într-o țeavă metalică, presiunea din aceasta va fi distribuită în același mod ca și antinodurile undei staționare. Dacă injectați gaz inflamabil într-o țeavă (de obicei se folosește propan, arde cu o flacără strălucitoare, fumurie) și găuriți pe toată lungimea țevii, flăcările de foc vor avea înălțimi diferite, reflectând modelul undei.

Trompeta Rubens bidimensională

Combinând aceste două fenomene, puteți obține o imagine uimitoare.

Echipa de blog Veritasium a venit la tocilarii danezi și au filmat un videoclip și mai tare:

Vizualizări post: 176