0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Делаем огненную трубу или трубу Рубенса

Делаем огненную трубу или трубу Рубенса

Ежедневно каждый из нас, людей, подвергается воздействию множества факторов. Это запахи, тепловое воздействие, излучение различных приборов, и, конечно, звуки. Звуки окружают нас повсюду, зачастую мы не можем их выбирать – шум проезжающих машин, работ на стройке, чья-то речь или навязчивая музыка. Каждый из звуков несёт в себе определённую информацию и человек по-разному реагирует на них. Поэтому изучение природы звука – один из важных и занимательных частей физики. При изучении механических волн их, возможно, представить наглядно, а звуковые волны представляют как абстрактную модель.

Звуковые волны – это колебания частиц воздуха, которые распространяются во все стороны от места возникновения звука.

Теория звука гласит: если какое-либо физическое тело совершает колебательные движения – струна гитары, голосовая связка, упругая пластина из металла – неважно что, оно будет распространять вокруг себя такие же колебания.

Нас заинтересовал вопрос, действительно ли, звуковая волна имеет волнообразную форму, а если это так, то как это представить наглядно?

Решение отображения звуковой волны в реальности мы нашли в опыте немецкого физика-экспериментатора Генриха Рубенса под названием «Труба Рубенса».

Волна – возбуждение среды, распространяющееся в пространстве и времени или в фазовом пространстве с переносом энергии и без переноса массы. Другими словами, волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины – например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры.

Волны бывают разных видов:

— если в волне частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, то волна называется поперечной;

— если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, то волна называется продольной.

Как в поперечных, так и в продольных волнах переноса вещества в направлении распространения волны не происходит.

В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой. Характерной особенностью механических волн является то, что они распространяются в материальных средах (твердых, жидких или газообразных). Существуют волны, которые способны распространяться и в пустоте (например, световые волны). Для механических волн обязательно нужна среда, обладающая способностью запасать кинетическую и потенциальную энергию. Следовательно, среда должна обладать инертными и упругими свойствами. В реальных средах эти свойства распределены по всему объему. Так, например, любой малый элемент твердого тела обладает массой и упругостью.

Значительный интерес для практики представляют простые гармонические или синусоидальные волны. Они характеризуются амплитудой (A) колебаний частиц, частотой (f) и длиной волны (?).

Длиной волны -называют расстояние между двумя соседними точками на оси OX, колеблющимися в одинаковых фазах.

Расстояние, равное длине волны ?, волна пробегает за время равное периоду колебаний (Т), следовательно, = T, где – скорость распространения волны.

Звук – физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде.

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение – звуковым давлением.

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц, давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны.

Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Стоячая волна – колебания в распределённых колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов и минимумов амплитуды. Практически такая волна возникает при отражениях от преград и неоднородностей в результате наложения отражённой волны на падающую. При этом, крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения. Так же стоячей волной называется волна, образующаяся в результате наложения двух бегущих синусоидальных волн, которые распространяются навстречу друг другу и имеют одинаковые частоты и амплитуды, а в случае поперечных волн еще и одинаковую поляризацию. Примерами стоячей волны могут служить колебания струны, колебания воздуха в органной трубе.

Читать еще:  Делаем сами автоматический крючок для вязки арматуры

Стоячие волны образуются при наложении двух бегущих волн, распространяющихся навстречу друг другу с одинаковыми частотами и амплитудами. Практически стоячие волны возникают при отражении от преград.

Чисто стоячая волна, строго говоря, может существовать только при отсутствии потерь в среде и полном отражении волн от границы. Обычно, кроме стоячих волн, в среде присутствуют и бегущие волны, подводящие энергию к местам её поглощения или излучения.

В случае гармонических колебаний в одномерной среде стоячая волна описывается формулой u = u0cos kx cos(?t – ), где u – возмущения в точке х в момент времени t, u0 – амплитуда стоячей волны, – частота, k – волновой вектор, ? – фаза.

Стоячие волны являются решениями волновых уравнений. Их можно представить себе как суперпозицию волн, распространяющихся в противоположных направлениях [4].

При существовании в среде стоячей волны, существуют точки, амплитуда колебаний в которых равна нулю. Эти точки называются узлами стоячей волны. Точки, в которых колебания имеют максимальную амплитуду, называются пучностями.

Джон Ле Конт (John Le Conte) открыл чувствительность пламени к звуку в 1858 году. В 1862 году Рудольф Кёниг показал, что высоту пламени можно менять, посылая звук в источник газа, и изменения во времени могут быть отображены при помощи вращающихся зеркал. Август Кундт в 1866 году, продемонстрировал акустические стоячие волны, помещая семена плауна или корковую пыль в трубу. Когда в трубу был запущен звук, то из семян сформировались узлы (точки, где амплитуда минимальна) и пучности (анти-узлы – области, где амплитуда максимальна), сформированные стоячей волной. Позже, уже в XX веке, Бен (Behn) показал, что маленькое пламя может служить чувствительным индикатором давления. Наконец, в 1904 году, используя эти два важных эксперимента, Генрих Рубенс, в чью честь назвали этот эксперимент, взял 4-метровую трубу, просверлил в ней 200 маленьких отверстий с шагом 2 см и заполнил её горючим газом. После поджигания пламени (высота огоньков примерно одинакова по всей длине трубы), он заметил, что звук, подведённый к концу трубы, создаёт стоячую волну с длиной волны, эквивалентной длине волны подводимого звука. Кригар – Менцель (O. Krigar – Menzel) помогал Рубенсу с теоретической стороной явления [3].

Генрих Рубенс – немецкий физик-экспериментатор, автор научных трудов по оптике, спектроскопии, физике теплового излучения.

Труба Рубенса – физический эксперимент по демонстрации стоячей волны, основанный на связи между звуковыми волнами и давлением воздуха (или газа).

Рис. 1. Генрих Рубенс

Мы повторили физический опыт Рубенса. Для этого нам потребовалось: метровая металлическая труба, звуковой динамик, баллончик с газом (пропан).

В металлической трубе были просверлены отверстия диаметром 1,4 мм через каждый сантиметр. К трубе с одной стороны был подведен газ, а с другой звуковой динамик. Все элементы соединены герметично, для того что бы исключить просачивание газа.

Изменяя количество подаваемого газа и уровень звука, добились волнообразной картинки.

Мы выяснили, что если использовать звук с постоянной частотой, то в пределах трубы может сформироваться стоячая волна из огоньков. Это вызвано тем, что когда динамик включен, в трубе формируются области повышенного и пониженного давления. Там, где область повышенного давления, через отверстия просачивается больше газа и высота пламени больше и наоборот. Благодаря этому можно измерить длину волны просто измеряя линейкой расстояние между пиками.

Сравним теоритические и практические значения длины волны.

Напомним, что длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Рассчитывать длину волны мы будем по формуле:

,

где – скорость движения звуковой волны, v – частота.

Так как у нас в трубе находиться пропан, то скорость движения звука будет рассчитываться по формуле:

,

где показатель адиабаты (для многоатомных газов показатель адиабаты равен 4/3), R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль•К), T = 273 К, так как опыт проводился при нормальных условиях, молярная масса пропана равна 44,1•10-3 кг/моль.

Подставить все значения в формулу расчета скорости звука в газе получим:

.

По результатам измерений и расчетов составим таблицу.

Во время вычислений возможны погрешности, возникающие во время округления. Так же газ пропан, использовавший в опыте, мог содержать примеси, температура газа во время опыта могла изменяться, неточность отверстий в трубе.

Проект по физике «Труба Рубенса»

Описание презентации по отдельным слайдам:

Автор: Пряхин Борис ученик 10 «Б» класса Руководитель: Семёнова Лариса Александровна учитель физики МБОУ Березовская СОШ Ханты-Мансийский Автономный Округ Югра г.п. Берёзово

Тип проекта: информационно-исследовательский Количество участников: 1 Количество времени: 45 дней Предметная область: физика Планируемый продукт: Труба Рубенса, способная визуализировать музыку в виде трепещущегося натурального пламени, а также осаждать дымовые облака.

Читать еще:  Делаем шпионскую скрытую флэшку

создание Трубы Рубенса.

Изучить теоретический материал. Собрать рабочую установку своими руками. Объяснить принцип действия данного прибора. Продемонстрировать работу Трубы Рубенса

Методы 1. Изучение научной литературы. 2. Изучение Интернет-ресурсов. 4. Обобщение теоретических знаний. 5. Проведение эксперимента. 6. Анализ полученных результатов. 7. Обобщение и систематизация полученных знаний. 8. Углубление знаний.

Актуальность В ходе изучения звуковых волн возникло желание визуализации звука. Интенсивное дымоосаждение может значительно облегчить работу пожарных.

Проблема мне неизвестно, каким образом происходит изменение интенсивности пламени и как осуществляется осаждение дыма.

Что такое Труба Рубенса? Генрих Рубенс, в чью честь назвали этот эксперимент, взял 4-метровую трубу, просверлил в ней 200 маленьких отверстий с шагом 2 см и заполнил её горючим газом. После поджигания пламени (высота огоньков примерно одинакова по всей длине трубы), он заметил, что звук, подведённый к концу трубы, создаёт стоячую волну с длиной волны, эквивалентной длине волны подводимого звука.

Немного о звуковых волнах. Звук часто изображается как синусоидальный сигнал, который является поперечной волной (для облегчения демонстрации). Это верхний рисунок. В действительности, звуковой сигнал – это продольная волна, что соответствует нижнему рисунку

Приложение Важно помнить, что на самом деле происходит изменение давления между различными амплитудами сигнала. Рисунок дает нам представление, что происходит, если бы мы смогли увидеть синусоиду тона.

Выбор звуковых диапазонов. Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком

Рассеивание дыма в лабораторных условиях. В ходе опытов с табачным дымом было обнаружено, что в первую секунду наблюдается турбулизация дымового облака и его осаждение. Интенсивное дымоосаждение происходило к концу второй секунды.

Характеристики динамика. Дополнительное оборудование. Мощность не должна превышать 150Вт Громкость не должна превышать 140Дб Звуковое давление не должно превышать 200Па Для осаждения дыма нам понадобится туманообразующее оборудование (нам подойдет Туманообразователь ультразвукового типа «Грибной Туман»)

На трубе длиной 1 метр сделал пометки через один сантиметр. Сборка Трубы Рубенса.

Просверлил 98 отверстий диаметром 1 миллиметр.

Нашел воронку и распилил так, чтобы диаметр маленького отверстия был равен диаметру нашей трубы. Приклеил её к трубе специальным клеем. К воронке приклеил динамик мощностью 150 Вт.

Безопасность прежде всего! В целях минимизации травматизма и угрозы жизнедеятельности, необходимо соблюдать правила техники безопасности.

Вывод: В ходе работы мне удалось самостоятельно собрать Трубу Рубенса. Она способная визуализировать музыку в виде трепещущегося натурального пламени, а также осаждать дымовые облака. Эти знания могут помочь определять длину звуковой волны. С помощью этой трубы пожарным удастся спасти больше людей из пожаров. В конце концов Труба Рубенса – это уникальная научная игрушка.

Автор: Пряхин Борис ученик 10 «Б» класса Руководитель: Семёнова Лариса Александровна учитель физики МБОУ Березовская СОШ Ханты-Мансийский Автономный Округ Югра г.п. Берёзово

  • Семенова Лариса Александровна
  • Написать
  • 27.10.2015

Номер материала: ДВ-102755

Добавляйте авторские материалы и получите призы от Инфоурок

Еженедельный призовой фонд 100 000 Р

«Развитие эмоционального интеллекта»

Спикер: Анна Быкова (#лениваямама)

  • 27.10.2015
  • 1976
  • 27.10.2015
  • 467
  • 27.10.2015
  • 588
  • 27.10.2015
  • 377
  • 27.10.2015
  • 535
  • 27.10.2015
  • 711
  • 27.10.2015
  • 474

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения авторов.

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако редакция сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

magSpace.ru

Открытая регистрация

Интересное

Прямой эфир

Похожие записи

CRUEL 16 февраля 2011, 20:09

Gysek 27 ноября 2013, 08:45

Aurelius 27 января 2011, 08:55

Gysek 5 марта 2012, 10:17

Gysek 5 апреля 2011, 11:06

Лучшие по рейтингу

Блоги

  • Приколы и юмор179367.98
  • Интересное143442.27
  • Неизвестное98305.46
  • И снова НОВОСТИ93635.13
  • proИгры69492.58

труба Рубенса

Труба Рубенса ( труба стоячей волны, огненная труба) — физический эксперимент по демонстрации стоячей волны. Он демонстрирует связь между звуковыми волнами и давлением воздуха (или газа).

Отрезок трубы, перфорированный по всей длине и запечатанный с концов. Один конец подключается к маленькому динамику, а второй к источнику горючего газа (пропановому баллону). Труба заполнена горючим газом, и просачивающийся через отверстия газ горит. Если используется постоянная частота, то в пределах трубы может сформироваться стоячая волна. Когда динамик включен, в трубе формируются области повышенного и пониженного давления. Там, где благодаря звуковым волнам находится область повышенного давления, через отверстия просачивается больше газа и высота пламени больше. Благодаря этому можно измерить длину волны просто измеряя рулеткой расстояние между пиками.

Читать еще:  Делаем робота из компьютерной мыши

Джон Ле Конт (John Le Conte) открыл чувствительность пламени к звуку в 1858 году. В 1862 году Рудольф Кёниг (Rudolph Koenig) показал, что высоту пламени можно менять, посылая звук в источник газа, и изменения во времени могут быть отображены при помощи вращающихся зеркал. Август Кундт (August Kundt) в 1866 году, продемонстрировал акустические стоячие волны, поместив семена плауна или корковую пыль в трубу. Когда в трубу был запущен звук, то из семян сформировались узлы (точки, где амплитуда минимальна) и анти-узлы, сформированные стоячей волной. Позже в 20-м веке Бен (Behn) показал, что маленькое пламя может служить чувствительным индикатором давления. Наконец в 1904 году, используя эти два важных эксперимента, Генрих Рубенс (Heinrich Rubens), в чью честь назвали этот эксперимент, взял 4 метровую трубу и просверлил в ней 200 маленьких отверстий с шагом 2 см, и заполнил её горючим газом. После поджигания пламени (высота огоньков примерно одинакова по всей длине трубы), он отметил, что звук, подведённый к концу трубы создаёт стоячую волну с длиной волны, эквивалентной длине волны подводимого звука. Кригар-Менцель (O. Krigar-Menzel) помогал Рубенсу с теорией

ru.knowledgr.com

Труба Рубенса, также известная как постоянная труба пламени волны, или просто труба пламени, является старинным аппаратом физики для демонстрации акустических постоянных волн в трубе. Изобретенный немецким физиком Генрихом Рубенсом в 1905, это графически показывает отношения между звуковыми волнами и звуковым давлением, как примитивный осциллограф. Сегодня это только иногда используется как демонстрация в образовании физики.

Обзор

Длина трубы перфорирована вдоль вершины и запечатана в обоих концах — одна печать привязана к маленькому громкоговорителю или генератору частоты, другому к поставке легковоспламеняющегося газа (бак пропана). Труба заполнена газом, и газ, просачивающийся из перфораций, освещен. Если подходящая постоянная частота используется, постоянная волна может сформироваться в пределах трубы. Когда спикер будет включен, постоянная волна будет точки формирования данных с колебанием (выше и ниже) давление и вопросы с постоянным давлением (узлы давления) вдоль трубы. Где там колеблется давление из-за звуковых волн, меньше газа сбежит из перфораций в трубе, и огонь будет ниже в тех пунктах. В узлах давления огонь выше. В конце ламповой газовой молекулы скорость — ноль, и колеблющееся давление максимально, таким образом наблюдается низкий огонь. Возможно определить длину волны от минимума пламени и максимума, просто имея размеры с правителем.

Объяснение

Так как усредненное давление времени равно во всех пунктах трубы, это не прямо, чтобы объяснить различные высоты пламени. Высота пламени пропорциональна потоку газа как показано в числе. Основанный на принципе Бернулли, поток газа пропорционален квадратному корню перепада давлений между внутренней и внешней частью трубы. Это показывают в числе для трубы, не выдерживая звуковую волну. Основанный на этом аргументе, высота пламени зависит нелинейно от местного, давления с временной зависимостью. Среднее число времени потока уменьшено в вопросах с колеблющимся давлением, и таким образом огонь ниже.

История

Генрих Рубенс был немецким физиком, родившимся в 1865. Хотя он предположительно работал с лучше помнившими физиками, такими как Макс Планк в университете Берлина на части измельченной работы для квантовых физиков, он известен прежде всего своей трубой пламени, которая была продемонстрирована в 1905. Труба этого оригинального Рубенса была четырехметровым разделом трубы с 200 отверстиями, располагаемыми равномерно вдоль ее длины.

Когда концы трубы запечатаны, и легковоспламеняющийся газ накачан в устройство, убегающий газ может быть освещен, чтобы сформировать ряд огня примерно равного размера. Когда звук будет применен от одного конца посредством громкоговорителя, внутреннее давление изменится вдоль трубы. Если звук будет иметь частоту, которая производит постоянные волны, то длина волны будет видима в серии огня с самым высоким огнем, являющимся, где сжатие происходит и самое низкое, где разреженность происходит.

Общественные показы

Труба Рубенса демонстрировалась в Исследовательском в Бристоле, Англия, пока это не закрылось в 1999. Подобная выставка, используя полистирол украшает бисером вместо огня, показанного в научном центре В Бристоле до 2009.

Этот показ также найден в физических факультетах во многих университетах.

Много шоу физики также имеют один, такие как: Фонд Рино (Нидерланды), Fysikshow Орхус (Дания), Fizika Ekspres (Хорватия) и шоу Физики ÅA (Финляндия).

MythBusters также включал демонстрацию на их «Голосовом эпизоде» Огнетушителя Пламени в 2007. Планета The Daily Самое большое Шоу Когда-либо, провел соревнования, посредством чего пять канадских научных центров конкурировали за эксперимент/показ лучшего научного центра. Научный центр Эдмонтона (Мир Telus Науки) использовал трубу Рубенса, который соревнование. 10 октября 2010 было снято специальное предложение.

Художник Эмер О’Брайен использовал трубы Рубенса в качестве основания для звуковой скульптуры, показанной в ее Возвращении выставки 2012 года к Нормальному в Проекте Уоппинга в Лондоне.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector