Rubenso vamzdis. Ugnies vamzdžio arba rubenso vamzdžio gamyba

Kudašovas A.A. (Kuzneckas, MBOU vidurinė mokykla Nr. 14)

1. „Fizika 9“ A.V. Peryshkin, E.M. Gutnikas.

2. „Fizika 11“ G.Ya. Myakishev, B.B. Buchovcevas ir Nr. 8622 / 0790 kiti.

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.

Kiekvieną dieną kiekvienas iš mūsų, žmonės, susiduria su daugybe veiksnių. Tai kvapai, šiluminiai efektai, įvairių prietaisų spinduliuotė ir, žinoma, garsai. Garsai mus supa visur, dažnai negalime jų pasirinkti – pravažiuojančių automobilių triukšmas, statybos darbai, kažkieno kalba ar įkyri muzika. Kiekvienas iš garsų neša tam tikrą informaciją ir žmogus į juos skirtingai reaguoja. Todėl garso prigimties tyrimas yra viena iš svarbių ir įdomių fizikos dalių. Tiriant mechanines bangas galima jas pateikti vizualiai, o garso bangos pateikiamos kaip abstraktus modelis.

Garso bangos – tai oro dalelių virpesiai, sklindantys visomis kryptimis nuo garso kilimo vietos.

Garso teorija sako: jei koks nors fizinis kūnas atliks svyruojančius judesius – gitaros styga, balso styga, elastinga metalo plokštelė – nesvarbu, jis paskleis aplink save tuos pačius virpesius.

Mus domino klausimas, ar garso banga tikrai turi bangą primenančią formą, ir jei taip, kaip ją vizualizuoti?

Išeitį, kaip realiai parodyti garso bangą, radome vokiečių eksperimentinio fiziko Heinricho Rubenso, vadinamo „Rubenso vamzdžiu“, patirtimi.

Banga – tai terpės sužadinimas, sklindantis erdvėje ir laike arba fazinėje erdvėje su energijos perdavimu ir be masės perdavimo. Kitaip tariant, banga arba banga yra bet kokio fizikinio dydžio maksimumų ir minimumų – pavyzdžiui, medžiagos tankio, elektrinio lauko stiprumo, temperatūros – laike kintanti erdvinė kaita.

Bangos yra įvairių tipų:

Jeigu bangoje terpės dalelės pasislenka sklidimo krypčiai statmena kryptimi, tai banga vadinama skersine;

Jeigu terpės dalelių poslinkis vyksta bangos sklidimo kryptimi, tai banga vadinama išilgine.

Tiek skersinėse, tiek išilginėse bangose ​​nėra medžiagos perdavimo bangos sklidimo kryptimi.

Sklidimo procese terpės dalelės svyruoja tik apie pusiausvyros padėtis. Tačiau bangos perneša svyravimų energiją iš vieno terpės taško į kitą. Būdingas mechaninių bangų bruožas yra tas, kad jos sklinda medžiaginėje terpėje (kietos, skystos ar dujinės). Yra bangų, kurios gali sklisti ir vakuume (pavyzdžiui, šviesos bangos). Mechaninėms bangoms reikalinga terpė, galinti kaupti kinetinę ir potencialią energiją. Todėl terpė turi turėti inertiškų ir elastingų savybių. Realioje aplinkoje šios savybės yra paskirstytos visame tome. Taigi, pavyzdžiui, bet koks mažas kieto kūno elementas turi masę ir elastingumą.

Labai įdomios praktikos yra paprastos harmoninės arba sinusinės bangos. Jiems būdinga dalelių virpesių amplitudė (A), dažnis (f) ir bangos ilgis (?).

Bangos ilgis – atstumas tarp dviejų gretimų OX ašies taškų, svyruojančių tomis pačiomis fazėmis.

Atstumas, lygus bangos ilgiui ?, banga eina per laiką, lygų virpesių periodui (T), todėl \u003d T, kur yra bangos sklidimo greitis.

Garsas yra fizinis reiškinys, kuris yra mechaninių virpesių sklidimas elastinių bangų pavidalu kietoje, skystoje ar dujinėje terpėje.

Garso bangos gali būti virpesių proceso pavyzdys. Bet koks svyravimas yra susijęs su sistemos pusiausvyros būsenos pažeidimu ir išreiškiamas jo charakteristikų nukrypimu nuo pusiausvyros verčių, o vėliau grįžus prie pradinės vertės. Garso virpesiams tokia charakteristika yra slėgis terpės taške, o jo nuokrypis – garso slėgis.

Jei vienoje vietoje, pavyzdžiui, naudodami stūmoklį, staigiai išstumsite elastingos terpės daleles, slėgis šioje vietoje padidės. Dėl elastingų dalelių ryšių slėgis perduodamas kaimyninėms dalelėms, kurios savo ruožtu veikia kitas, o padidėjusio slėgio sritis tarsi juda elastingoje terpėje. Po aukšto slėgio srities seka žemo slėgio sritis, todėl susidaro eilė kintamų suspaudimo ir retėjimo zonų, sklindančių terpėje bangos pavidalu. Kiekviena elastingos terpės dalelė šiuo atveju svyruos.

Skystose ir dujinėse terpėse, kur nėra didelių tankio svyravimų, akustinės bangos yra išilginės prigimties, tai yra, dalelių virpesių kryptis sutampa su bangos judėjimo kryptimi. Kietuosiuose kūneliuose, be išilginių deformacijų, atsiranda ir elastinės šlyties deformacijos, kurios sukelia skersinių (šlyties) bangų sužadinimą; šiuo atveju dalelės svyruoja statmenai bangos sklidimo krypčiai.

Išilginių bangų sklidimo greitis yra daug didesnis nei šlyties bangų sklidimo greitis.

stovinčios bangos

Stovioji banga – svyravimai paskirstytose virpesių sistemose su būdingu kintamų amplitudės maksimumų ir minimumų išsidėstymu. Praktiškai tokia banga atsiranda atspindžių nuo kliūčių ir nehomogeniškumo metu dėl atsispindėjusios bangos superpozicijos ant krintančios bangos. Šiuo atveju itin svarbus bangos dažnis, fazė ir slopinimo koeficientas atspindžio vietoje. Stovinčia banga taip pat vadinama banga, susidariusi dėl dviejų viena kitos link sklindančių slenkančių sinusoidinių bangų superpozicijos, kurių dažnis ir amplitudė yra vienodi, o skersinių bangų atveju jos taip pat turi tą pačią poliarizaciją. Stovinčios bangos pavyzdžiai yra stygos virpesiai, oro virpesiai vargonų vamzdyje.

Stovinčios bangos susidaro, kai dvi keliaujančios bangos sklinda viena kitos link vienodais dažniais ir amplitudėmis. Praktiškai stovinčios bangos kyla, kai atsispindi nuo kliūčių.

Griežtai tariant, grynai stovi banga gali egzistuoti tik tada, kai terpėje nėra nuostolių ir bangos visiškai atsispindi nuo ribos. Paprastai, be stovinčių bangų, terpėje yra ir keliaujančios bangos, kurios atneša energiją į jos sugerties ar išskyrimo vietas.

Harmoninių virpesių atveju vienmatėje terpėje stovinti banga apibūdinama formule - fazė.

Stovinčios bangos yra bangų lygčių sprendiniai. Jie gali būti laikomi priešingomis kryptimis sklindančių bangų superpozicija.

Kai terpėje yra stovi banga, yra taškai, kuriuose virpesių amplitudė lygi nuliui. Šie taškai vadinami stovinčios bangos mazgais. Taškai, kuriuose svyravimai turi didžiausią amplitudę, vadinami antimazgais.

fizinė patirtis

John Le Conte atrado liepsnos jautrumą garsui 1858 m. 1862 m. Rudolfas Königas parodė, kad liepsnos aukštį galima pakeisti siunčiant garsą į dujų šaltinį, o pokyčius laikui bėgant galima parodyti naudojant besisukančius veidrodžius. Augustas Kundtas 1866 m. pademonstravo akustines stovinčias bangas, į vamzdį įdėdamas samanų sėklų arba žievės dulkes. Kai garsas buvo paleistas į vamzdį, iš stovinčios bangos suformuotų sėklų susiformavo mazgai (taškai, kuriuose amplitudė yra minimali) ir antimazgai (antimazgai - sritys, kuriose amplitudė yra didžiausia). Vėliau, jau XX amžiuje, Benas (Behnas) parodė, kad maža liepsna gali būti jautrus slėgio indikatorius. Galiausiai 1904 m., naudodamas šiuos du svarbius eksperimentus, Heinrichas Rubensas, kurio vardu ir pavadintas šis eksperimentas, paėmė 4 metrų vamzdį, 2 cm žingsniais išgręžė jame 200 mažų skylučių ir užpildė jį degiomis dujomis. Uždegęs liepsną (liepsnos aukštis apytiksliai vienodas per visą vamzdžio ilgį) pastebėjo, kad garsas, nukreiptas į vamzdžio galą, sukuria stovinčią bangą, kurios bangos ilgis atitinka įeinančio garso bangos ilgį. . Krigaras – Menzelis (O. Krigar – Menzelis) padėjo Rubensui spręsti teorinę reiškinio pusę.

Heinrichas Rubensas – vokiečių eksperimentinis fizikas, mokslinių straipsnių apie optiką, spektroskopiją, šiluminės spinduliuotės fiziką autorius.

Rubenso vamzdis – fizinis eksperimentas, skirtas demonstruoti stovinčią bangą, pagrįstas garso bangų ir oro (arba dujų) slėgio ryšiu.

Ryžiai. 1. Heinrichas Rubensas

Pakartojome fizinį Rubenso eksperimentą. Tam mums reikėjo: metro metalinio vamzdžio, garsiakalbio, dujų (propano) skardinės.

Metaliniame vamzdyje kas centimetrą buvo išgręžtos 1,4 mm skersmens skylės. Vienoje pusėje prie vamzdžio buvo prijungtos dujos, kitoje – garso kolonėlė. Visi elementai yra hermetiškai uždaryti, kad būtų išvengta dujų nuotėkio.

Pakeitus tiekiamų dujų kiekį ir garso lygį, buvo gautas bangas primenantis vaizdas.

Mes nustatėme, kad jei garsą naudojate pastoviu dažniu, vamzdyje gali susidaryti stovinčios šviesos banga. Taip yra todėl, kad įjungus garsiakalbį vamzdyje susidaro aukšto ir žemo slėgio zonos. Ten, kur yra padidinto slėgio sritis, pro skylutes prasiskverbia daugiau dujų, o liepsnos aukštis yra didesnis ir atvirkščiai. Dėl to bangos ilgį galima išmatuoti tiesiog liniuote išmatuojant atstumą tarp smailių.

Palyginkime teorines ir praktines bangos ilgio vertes.

Prisiminkite, kad bangos ilgis yra atstumas tarp dviejų arčiausiai vienas kito esančių taškų, svyruojančių tomis pačiomis fazėmis. Bangos ilgį apskaičiuosime pagal formulę:

kur garso bangos greitis, v dažnis.

900 Hz 1000 Hz

Kadangi vamzdyje yra propano, garso greitis bus apskaičiuojamas pagal formulę:

kur adiabatinis indeksas (daugiaatominėms dujoms adiabatinis indeksas yra 4/3), R yra universali dujų konstanta, lygi 8,31 J / (mol.K), T = 273 K, kadangi eksperimentas buvo atliktas normaliomis sąlygomis, propano molinė masė yra 44,1,10-3 kg/mol.

Pakeitę visas reikšmes į garso greičio dujose skaičiavimo formulę, gauname:

Remdamiesi matavimų ir skaičiavimų rezultatais, sudarysime lentelę.

Atliekant skaičiavimus, apvalinant gali atsirasti klaidų. Taip pat eksperimente naudotose propano dujose galėjo būti priemaišų, eksperimento metu gali kisti dujų temperatūra, vamzdžio skylių netikslumas.

Išvada

Dėl Rubenso patirties tapo įmanoma pavaizduoti garso bangą tikru pavyzdžiu, todėl buvo galima įrodyti praktika pagrįstas teoremas ir hipotezes.

Be to, patirtį naudojant Rubens vamzdį galima panaudoti mokyklose fizikos pamokose, siekiant vizualesnio garso bangos atvaizdavimo, laikantis visų saugos reikalavimų.

Bibliografinė nuoroda

Vamzdis pripildytas degiųjų dujų, todėl per skylutes prasiskverbiančios dujos dega. Jei naudojamas pastovus dažnis, vamzdyje gali susidaryti stovinti banga. Įjungus garsiakalbį, vamzdyje susidaro aukšto ir žemo slėgio zonos. Ten, kur dėl garso bangų yra aukšto slėgio zona, pro skylutes prasiskverbia daugiau dujų, o liepsnos aukštis yra didesnis. Dėl šios priežasties galima išmatuoti bangos ilgį tiesiog matuojant atstumą tarp smailių.

Eksperimentui jums reikės

Eksperimento etapai

1. Aliuminio vamzdyje pažymime ir išgręžiame skyles.
2. Plastikinį piltuvą perpjaukite per pusę.
3. Vieną piltuvo dalį pritvirtiname prie vamzdžio, naudodami sustiprintą juostą.
4. Antrąją piltuvo dalį pritvirtiname prie kolonėlės, naudodami karštų klijų pistoletą.
5. Aliuminio vamzdį pritvirtiname prie kolonos, naudodami sustiprintą juostą. Vamzdžiu padarytos skylės turi būti viršuje.
6. Dujų balioną prijungiame prie vamzdžio su žarna.
7. Atidarome balioną ir padegame dujas, išeinančias iš vamzdžio skylių.
8. Įjunkite garso dažnių generatorių ir nusiųskite garsą į garsiakalbį. Galite eksperimentuoti su garso dažniu.

Vamzdžio gabalas, perforuotas per visą ilgį. Vienas galas yra prijungtas prie mažo garsiakalbio, o kitas - prie degiųjų dujų šaltinio (propano bako). Vamzdis pripildytas degiųjų dujų, todėl per skylutes prasiskverbiančios dujos dega. Jei naudojamas pastovus dažnis, vamzdyje gali susidaryti stovinti banga. Įjungus garsiakalbį, vamzdyje susidaro aukšto ir žemo slėgio zonos. Ten, kur dėl garso bangų yra aukšto slėgio zona, pro skylutes prasiskverbia daugiau dujų, o liepsnos aukštis yra didesnis. Dėl šios priežasties galima išmatuoti bangos ilgį tiesiog matuojant atstumą tarp smailių.

Istorija

Parašykite apžvalgą apie straipsnį "Rubens Pipe"

Pastabos

Nuorodos

• įskaitant garso plokštę ir mikrofoną.
• , vaizdo įrašas ir išsami analizė
• efektų nustatymas ir paaiškinimas
• vadovas
• sąrankos vadovas
• on Rubens“ originalus dizainas (.doc formatu)
• rodoma sąranka
• informacija
• , po antrašte „Nuorodos“ ir labai graži nuotrauka, iliustruojanti šį eksperimentą
• , namų vaizdo įrašas, kuriame rodomi įvairūs tonai ir grojama muzika (02:51)
• , Alyce Santoro „Ruben's Tube“ pasirodymas
• , Rubenso vamzdžio eksperimentas (rusiški subtitrai)

Rubenso trimitą apibūdinanti ištrauka

Jūsų dėmesiui pristatome įdomią ugnies vamzdžio arba Rubenso vamzdžio, kaip daugelis tai vadina, gamybos idėją.

Ko mums reikia:
- galingas stiprintuvas;
- laidai telefono ir garsiakalbio prijungimui prie stiprintuvo;
- klijų pistoletas;
- garsiakalbiai;
- plastikinis vamzdis;
- dujų cilindras;
- antgalis ant dujų baliono;
- grąžtas;
- plastikinis indas;
- maždaug metro ilgio aliuminio vamzdis.

Po to garsiakalbį pritvirtiname prie aliuminio vamzdžio. Jums nereikia jaudintis dėl garsiakalbio ir karštų klijų tirpimo, nes ugnis tos dalies nepasieks.

Kita vertus, storą plastikinį vamzdelį ištempiame ant aliuminio, kad jis gerai laikytųsi.

Galiausiai dujų kasetės antgalį prijungiame prie paties baliono. Atkreipkite dėmesį, kad idėjos autorius nerekomenduoja su tuo eksperimentuoti

Danai iš Fysikshow sujungė seniai žinomus eksperimentus – Chladni figūrėles ir Rubenso vamzdelį – ir pagamino dvimatį Rubenso vamzdelį. Tai užburiantis vaizdas!

Chladni figūrėlės

Trumpai apie veikimo principą: garsiakalbio išėjimas nukreipiamas į dėžę, o joje sužadinamos stovinčios bangos. Kad banga stovėtų, į dėžės ilgį turi tilpti sveikasis pusės bangos ilgių skaičius, tada tokia banga uždedama ant savęs ir atsiranda rezonansas ir jis vadinamas mada. Stovinčioje bangoje išskiriamas antimazgas (amplitudės maksimumas) ir mazgas (amplitudės minimumas, praktiškai nulis).

Dėl to, kad dėžutė turi daug rezonansinių režimų (pavyzdžiui, 100Hz, 200Hz, 300Hz ir pan.), daug dažnių iš įvesties garso signalo yra sustiprinami ir rezonuoja vienu metu.

Tokių bangų sąveikos ir trukdžių vaizdas savaime yra gražus. Antimazguose smėlio grūdeliai stipriai vibruoja ir sklaidosi; vibracijos mazguose yra minimalios, o šiose vietose susitelkę išsibarstę smėlio grūdeliai. Tai paprasčiausias stovinčios bangos mazgų ir antimazgų vizualizatorius.

Gauti paveikslai vadinami Chladni figūromis fiziko, kuris pirmą kartą juos tyrinėjo, vardu.

Rubenso vamzdis

Rubenso vamzdis yra stovinčios bangos vizualizatorius, veikiantis kitu principu. Esmė ta, kad dujose stovinčios bangos antimazguose dujų slėgis yra didesnis, o mazguose – mažesnis. Jeigu metaliniame vamzdyje sužadinama stovinti banga, slėgis jame pasiskirstys taip pat, kaip ir stovinčios bangos antimazgiai. Jei į vamzdį įpurškiamos degiosios dujos (dažniausiai naudojamas propanas, jis dega ryškia dūmine liepsna), o per visą vamzdžio ilgį išgręžiamos skylės - ugnies degikliai bus skirtingo aukščio, atspindinčio vamzdžio raštą. banga.

2D Rubenso vamzdelis

Sujungę šiuos du reiškinius galite gauti stulbinantį vaizdą.

„Veritasium“ tinklaraščio komanda atvyko pas Danijos geikus, kurie nufilmavo dar šaunesnį vaizdo įrašą:

Pranešimo peržiūros: 176