Tubo de Rijke

El tubo de Rijke convierte el calor en sonido creando una onda estacionaria autoamplificada . Es un fenómeno entretenido en acústica y es un excelente ejemplo de resonancia .

Una construcción simple del tubo de Rijke, con una malla de alambre en la mitad inferior de un tubo de metal vertical. El tubo está suspendido sobre un mechero Bunsen .

Descubrimiento

PL Rijke era profesor de física en la Universidad de Leiden en los Países Bajos cuando, en 1859, descubrió una forma de utilizar el calor para sostener un sonido en un tubo cilíndrico abierto en ambos extremos. ^[1] Usó un tubo de vidrio , de aproximadamente 0,8 m de largo y 3,5 cm de diámetro. En su interior, a unos 20 cm de un extremo, colocó un disco de tela metálica como se muestra en la figura de la derecha. La fricción con las paredes del tubo es suficiente para mantener la gasa en posición. Con el tubo en posición vertical y la gasa en la mitad inferior, calentó la gasa con una llama hasta que estuvo al rojo vivo. Al retirar la llama, obtuvo un fuerte sonido del tubo que duró hasta que la gasa se enfrió (unos 10 s ). En las reproducciones modernas de este experimento es más seguro utilizar un tubo de vidrio de borosilicato o, mejor aún, uno de metal .

En lugar de calentar la gasa con una llama, Rijke también probó el calentamiento eléctrico . Hacer la gasa con alambre de resistencia eléctrica hace que brille en rojo cuando pasa una corriente suficientemente grande . Dado que el calor se suministra continuamente, el sonido también es continuo y bastante fuerte. Rijke parece haber recibido quejas de sus colegas universitarios porque informa que el sonido se podía escuchar fácilmente a tres habitaciones de su laboratorio. La potencia eléctrica necesaria para lograrlo es de aproximadamente 1 kW .

Lord Rayleigh , quien escribió el libro de texto definitivo sobre sonido en 1877, recomienda esto como una demostración de clase muy eficaz . Usó un tubo de hierro fundido de 1,5 m de largo y 12 cm de diámetro con dos capas de gasa hechas de alambre de hierro insertadas aproximadamente un cuarto del camino hacia arriba del tubo. La gasa adicional es para retener más calor, lo que hace que el sonido sea más duradero. ¡Él informa en su libro que el sonido se eleva a tal intensidad que hace temblar la habitación! ^[2]

Un efecto Rijke "inverso", es decir, que un tubo Rijke también producirá oscilaciones de audio si el aire caliente fluye a través de una pantalla fría , fue observado por primera vez por el asistente de Rijke Johannes Bosscha ^[3] y posteriormente investigado por el físico alemán Peter Theophil Rieß . ^{[4] [5] [6]}

Mecanismo

Interior de un tubo Rijke calentado por un soplete de gas

Funcionamiento del tubo de Rijke

El sonido proviene de una onda estacionaria cuya longitud de onda es aproximadamente el doble de la longitud del tubo, lo que da la frecuencia fundamental . Lord Rayleigh, en su libro, dio la explicación correcta de cómo se estimula el sonido. ^[7] El flujo de aire que pasa por la gasa es una combinación de dos movimientos. Hay un movimiento ascendente uniforme del aire debido a una corriente de convección resultante de la gasa que calienta el aire. Superpuesto a esto está el movimiento debido a la onda de sonido.

Durante la mitad del ciclo de vibración, el aire fluye hacia el tubo desde ambos extremos hasta que la presión alcanza un máximo. Durante la otra mitad del ciclo, el flujo de aire es hacia afuera hasta que se alcanza la presión mínima. Todo el aire que pasa por la gasa se calienta a la temperatura de la gasa y cualquier transferencia de calor al aire aumentará su presión de acuerdo con la ley de los gases ideales . A medida que el aire fluye hacia arriba más allá de la gasa, la mayor parte ya estará caliente porque acaba de bajar más allá de la gasa durante el medio ciclo anterior. Sin embargo, justo antes del máximo de presión, una pequeña cantidad de aire frío entra en contacto con la gasa y su presión aumenta repentinamente. Esto aumenta la presión máxima, reforzando así la vibración. Durante la otra mitad del ciclo, cuando la presión está disminuyendo, el aire por encima de la gasa es empujado hacia abajo a través de la gasa nuevamente. Como ya está caliente, no se produce ningún cambio de presión debido a la gasa, ya que no hay transferencia de calor. Por lo tanto, la onda de sonido se refuerza una vez en cada ciclo de vibración y se acumula rápidamente hasta una amplitud muy grande .

Esto explica por qué no hay sonido cuando la llama está calentando la gasa: todo el aire que fluye a través del tubo es calentado por la llama, por lo que cuando llega a la gasa, ya está caliente y no se produce ningún aumento de presión.

Cuando la gasa está en la mitad superior del tubo, no hay sonido. En este caso, el aire frío traído desde el fondo por la corriente de convección llega a la gasa hacia el final del movimiento de vibración hacia afuera. Esto es inmediatamente antes del mínimo de presión, por lo que un aumento repentino de la presión debido a la transferencia de calor tiende a cancelar la onda de sonido en lugar de reforzarla.

La posición de la gasa en el tubo no es crítica siempre que esté en la mitad inferior. Para encontrar su mejor posición, hay dos cosas a considerar. La mayor parte del calor se transferirá al aire donde el desplazamiento de la onda es máximo, es decir, al final del tubo. Sin embargo, el efecto de aumentar la presión es mayor donde hay la mayor variación de presión, es decir, en el medio del tubo. Colocar la gasa a medio camino entre estas dos posiciones (un cuarto del camino desde el extremo inferior) es una forma sencilla de acercarse a la ubicación óptima.

El tubo de Rijke se considera una forma de onda estacionaria de dispositivos termoacústicos conocidos como " motores térmicos " o " motores primarios ".

Tubo de Sondhauss

"> Reproducir medios

Un profesor taiwanés demuestra un tubo Rijke en mandarín.