Кудашов А.А. (г. Кузнецк, МБОУ средней общеобразовательной школы № 14)
1. «Физика 9» А.В. Перышкин, Е.М. Гутник.
2. «Физика 11» Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев и № 8622 / 0790 другие.
3. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Труба_Рубенса.
4. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Стоячая _волна.
5. URL: http://bourabai.ru/physics/sound.html.
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.
Стоячие волны
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.
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 .
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.
Физический опыт
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 .
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.
900 Гц 1000 Гц
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.
Заключение
Благодаря опыту Рубенса стало возможным представление звуковой волны на реальном примере, тем самым стало возможно доказательство теорем и гипотез, основываясь на практике.
Так же, опыт с трубой Рубенса возможно применять в школах на уроках физики для более наглядного представления звуковой волны, с соблюдением всех требований техники безопасности.
Отрезок трубы, перфорированный по всей длине. Один конец подключается к маленькому динамику, а второй - к источнику горючего газа (баллону с пропаном). Труба заполнена горючим газом, так что 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.
Представляем вашему вниманию интересную идею по изготовлению огненной трубы или трубы Рубенса, как ее называют многие.
Что нам понадобится:
- мощный усилитель;
- провода для подключения телефона и динамика к усилителю;
- клеевой пистолет;
- динамики;
- пластмассовая трубка;
- газовый баллон;
- насадка на газовый баллон;
- сверла;
- пластмассовая емкость;
- алюминиевая труба длиной примерно в метр.
После этого приделываем динамик к алюминиевой трубке. Можно не переживать, что динамик и горячий клей могут расплавиться, поскольку огонь не будет доходить до этой части.
С другой стороны толстую пластмассовую трубку натягиваем на алюминиевую так, чтобы она хорошо держалась.
Наконец, насадку для газового баллончика подключаем к самому баллону. Отметим, что автор идеи не советует экспериментировать с данной
Труба заполнена горючим газом, так что 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.
| Инструмент: | линейка, маркер, дрель, клеевой термо-пистолет, ножовка |
| Расходные материалы: | скотч |
| Оборудование: | баллон с пропаном, колонка с динамиком, усилитель звука, проигрыватель звука (плеер, компьютер и т.д.) |
| Материалы: | труба алюминиевая, воронка пластиковая |
Датчане из Fysikshow объединили давно известные эксперименты: фигуры Хладни и трубу Рубенса - и сделали двумерную трубу Рубенса. Это завораживающее зрелище!
Вкратце о принципе действия: в коробку направлен выход громкоговорителя, и в ней возбуждаются стоячие волны. Чтобы волна была стоячей - в длину коробки должно укладываться целое число длин полуволн, тогда такая волна накладывается сама на себя и возникает резонанс, и она называется модой . В стоячей волне выделяют пучность (максимум амплитуды) и узел (минимум амплитуды, практически ноль).
Благодаря тому, что коробка имеет много резонансных мод (к примеру, 100Гц, 200Гц, 300Гц и так далее) - сразу многие частоты из входного аудиосигнала усиливаются и резонируют.
Картина взаимодействия и интерференции таких волн и сама по себе красива. В пучностях песчинки колеблются сильно и разлетаются; в узлах колебания минимальны, и разлетевшиеся песчинки концентрируются на этих местах. Это простейший визуализатор узлов и пучностей стоячей волны.
Получающиеся картины называют фигурами Хладни по имени физика, впервые исследовавшего их.
Труба Рубенса - это визуализатор стоячей волны, работающий на другом принципе. Суть в том, что в пучностях стоячей волны в газе давление газа выше, а в узлах - ниже. Если возбудить стоячую волну в металлической трубе, давление в ней распределится таким же образом, как и пучности стоячей волны. Если в трубу нагнетать горючий газ (обычно используют пропан, он горит ярким коптящим пламенем), и просверлить отверстия по всей длине трубы - факелы огня будут иметь разную высоту, отражая картину волны.
Объединив эти два явления, можно получить потрясающую картину.
К датским гикам приехала команда блога Veritasium, и они засняли ещё более классное видео:
Post Views: 176
