Un tubo de Rubens , también conocido como tubo de llama de onda estacionaria , o simplemente tubo de llama , es un aparato de física antiguo para demostrar ondas estacionarias acústicas en un tubo. Inventado por el físico alemán Heinrich Rubens en 1905, muestra gráficamente la relación entre las ondas sonoras y la presión sonora , como un osciloscopio primitivo . Hoy en día, se usa solo ocasionalmente, generalmente como demostración en la educación física.
Descripción general
Se perfora un tramo de tubería a lo largo de la parte superior y se sella en ambos extremos: un sello está unido a un pequeño altavoz o generador de frecuencia, el otro a un suministro de gas inflamable (tanque de propano). La tubería se llena con el gas y se enciende el gas que se escapa de las perforaciones. Si se usa una frecuencia constante adecuada, se puede formar una onda estacionaria dentro del tubo. Cuando el altavoz está encendido, la onda estacionaria creará puntos con presión oscilante (más alta y más baja) y puntos con presión constante (nodos de presión) a lo largo del tubo. Donde hay una presión oscilante debido a las ondas sonoras, menos gas escapará de las perforaciones en el tubo y las llamas serán más bajas en esos puntos. En los nodos de presión, las llamas son más altas. Al final del tubo, la velocidad de la molécula de gas es cero y la presión oscilante es máxima, por lo que se observan llamas bajas. Es posible determinar la longitud de onda del mínimo y máximo de la llama simplemente midiendo con una regla.
Explicación
Dado que la presión promediada en el tiempo es igual en todos los puntos del tubo, no es sencillo explicar las diferentes alturas de llama. La altura de la llama es proporcional al flujo de gas como se muestra en la figura. Según el principio de Bernoulli , el flujo de gas es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presión entre el interior y el exterior del tubo. Esto se muestra en la figura para un tubo sin onda de sonido estacionaria. Según este argumento, la altura de la llama depende de forma no lineal de la presión local dependiente del tiempo. El tiempo promedio del flujo se reduce en los puntos con presión oscilante y, por lo tanto, las llamas son menores. [1]
Historia
Heinrich Rubens fue un físico alemán nacido en 1865. Aunque trabajó con físicos más recordados como Max Planck en la Universidad de Berlín en algunos de los trabajos básicos de la física cuántica, es más conocido por su tubo de llama, que se demostró en 1905. Este tubo de Rubens original era una sección de tubo de cuatro metros con aproximadamente 100 orificios de 2 mm de diámetro espaciados uniformemente a lo largo de su longitud. [2]
Cuando los extremos de la tubería están sellados y se bombea un gas inflamable al dispositivo, el gas que escapa se puede encender para formar una fila de llamas de aproximadamente el mismo tamaño. Cuando el sonido se aplica desde un extremo por medio de un altavoz, la presión interna cambiará a lo largo del tubo. Si el sonido es de una frecuencia que produce ondas estacionarias, la longitud de onda será visible en la serie de llamas, con las llamas más altas ocurriendo en los nodos de presión y las llamas más bajas ocurriendo en los antinodos de presión. Los antinodos de presión corresponden a las ubicaciones con mayor grado de compresión y rarefacción . [3]
Exhibiciones públicas
Un tubo de Rubens estuvo en exhibición en The Exploratory en Bristol, Inglaterra, hasta que cerró en 1999. Una exhibición similar usando perlas de poliestireno en lugar de llamas se presentó en el centro de ciencias At-Bristol hasta 2009. [4] Los estudiantes hacen modelos del tubo de Rubens. en la exposición de ciencias de su escuela.
Esta pantalla también se encuentra en los departamentos de física de varias universidades. [5] Varios programas de física también tienen uno, como: Fundación Rino [6] (Países Bajos), Fysikshow Aarhus (Dinamarca), Fizika Ekspres (Croacia) y ÅA Physics show (Finlandia). [7] [8]
The MythBusters también incluyó una demostración en su episodio "Voice Flame Extinguisher" en 2007. [9] The Daily Planet 's The Greatest Show Ever, [10] organizó una competencia en la que cinco centros científicos canadienses compitieron por el mejor experimento / exhibición del centro científico. . El Centro de Ciencias de Edmonton (Telus World of Science) utilizó un tubo de Rubens y ganó la competencia. El especial fue filmado el 10 de octubre de 2010. Tim Shaw en el programa Street Genius en National Geographic Channel también presentó uno en el episodio 18 "Wave of fire".
La artista Emer O'Brien utilizó tubos de Rubens como base para la escultura sonora presentada en su exposición de 2012 Return to Normal en el Wapping Project en Londres . [11]
Tubo de Rubens 2D
Descripción general
Un tubo de Rubens 2D, también conocido como tablero pirotécnico, es un plano de quemadores Bunsen que puede demostrar una onda estacionaria acústica en dos dimensiones. Al igual que su predecesor, el tubo de Rubens unidimensional, esta onda estacionaria es causada por una multitud de factores. La variación de presión causada por la entrada de gas propano que interfiere con la entrada de ondas sonoras en el avión provoca cambios en la altura y el color de las llamas. El tubo 2D de Rubens se hizo famoso por un grupo de demostradores científicos danés en Dinamarca llamado Fysikshow . [12]
Explicación
Un tubo 2D de Rubens se compone de muchas partes diferentes. La parte principal en sí es la caja de acero rectangular que emite el gas propano. El acero se usa generalmente para el plano en tableros pirotécnicos porque el compuesto generalmente puede soportar inmensas cantidades de calor y aún puede mantener su estructura. Se perforan orificios en la parte superior del plano de acero para sacar el gas propano que se bombea constante y lentamente a la caja de acero. [13] En lugar de tener una caja de acero completa, algunos diseños de tableros pirotécnicos tienen lados de madera para sostener el plano de acero en la parte superior. En las tablas de pirotecnia estilo madera, el interior de la caja suele estar cubierto con algún tipo de membrana resistente al calor que evita que el propano dentro de la caja se filtre.
A los lados de la caja de acero hay altavoces que introducen un sonido en el medio contenido. La velocidad a la que el gas propano escapa a través de los orificios en la parte superior del tablero pirotécnico depende de la intensidad del sonido introducido. Esta relación es directamente proporcional, es decir, a medida que aumenta la intensidad del sonido, aumenta la velocidad a la que escapa el gas propano.
Dado que el medio dentro de la caja de acero se mantiene a un volumen constante, una onda estacionaria tiene la capacidad de producirse. La frecuencia a la que se puede producir la onda estacionaria depende en gran medida de las dimensiones físicas de la caja y la longitud de onda de la onda. Dado que las placas pirotécnicas varían en tamaño, cada placa tiene sus propias frecuencias únicas en las que se puede producir una onda estacionaria.
Exhibiciones públicas
En 2014, el demostrador científico danés Sune Nielsen , miembro de Fysikshow , se asoció con el bloguero científico Derek Muller en un video de YouTube mostrando el tablero pirotécnico en acción. Derek Muller, también conocido como Veritasium en YouTube, explica la ciencia detrás de cómo funcionan los tubos de Rubens 1D y 2D.
Referencias
- ^ GW Ficken, FC Stephenson, Demostración del tubo de fuego de Rubens, El profesor de física, vol. 17, págs.306-310 (1979)
- ^ doi : 10.1121 / 1.3636076 en la publicación original: "eine geradlinige Reihe von etwa 100 Löchern von 2mm Weite"
- ^ GW Ficken, FC Stephenson, Demostración del tubo de fuego de Rubens, El profesor de física, vol. 17, págs.306-310 (1979)
- ^ "El Exploratorio - Exhibiciones" . Consultado el 6 de noviembre de 2006 .
- ^ "Oscilación y ondas" . Archivado desde el original el 1 de septiembre de 2006 . Consultado el 8 de noviembre de 2006 .
- ^ "sitio web de la Fundación Rino" . Consultado el 29 de octubre de 2009 .
- ^ "Sitio web de Fizika Ekspres" . Archivado desde el original el 18 de mayo de 2009 . Consultado el 20 de abril de 2009 .
- ^ "Sitio web de ÅA" . Consultado el 20 de abril de 2009 .
- ^ "Vídeo de Discovery Channel" . Consultado el 11 de agosto de 2009 .
- ^ "El espectáculo más grande de Daily Planet" . Consultado el 10 de octubre de 2010 .[ enlace muerto ]
- ^ "Emer O'Brien - Regreso a la normalidad" . re-título. Archivado desde el original el 9 de julio de 2013 . Consultado el 1 de enero de 2014 .
- ^ "FysikShow - Fysikum" . www.fysik.su.se . Archivado desde el original el 7 de febrero de 2016 . Consultado el 6 de febrero de 2016 .
- ^ Veritasium (2014-04-17), Pyro Board: 2D Rubens 'Tube! , consultado el 6 de febrero de 2016
enlaces externos
- Información sobre el diseño original de Rubens en formato .doc