Rubens' tube

iVion

Laatst heb ik samen met een vriend een bekend natuurkunde experiment uitgevoerd, de Rubens Tube. Zie bijv: http://www.youtube.com/watch?v=HpovwbPGEoo

We hebben een buis met gaatjes aan de bovenkant, rechts gas invoer (verder gesloten) en links is de buis afgesloten met een membraan(simpele ballon). Bijna tegen het membraan staat een speaker. Het gas dat uit de gaatjes komt wordt aangestoken. Bij bepaalde frequenties uit de speaker ontstaat nu een staande golf in de buis, en die wordt zichtbaar doordat het gas bij de buiken harder uit de buis wordt gedrukt, waardoor je dus de golven als vlammen ziet.

Nu is de vraag, telt een membraan mee als een open uiteinde, een gesloten uiteinde of beide? Aan de gesloten kan(bij gasinvoer) zien we namelijk steeds een knoop. Maar aan de kant van het membraan wisselt het tussen een buik en een knoop. Betekent dit dat het membraan open, maar ook gesloten is? In mijn natuurkunde boeken en op internet kan ik niks vinden over een buis afgesloten met een membraan.

Heeft iemand enig idee?

Alvast bedankt!

Jan van de Velde

Dit is allemaal helemaal niet zo simpel als het lijkt. De Rubens' buis is het onderwerp van een aantal serieuze wetenschappelijke verhandelingen in serieuze wetenschappelijke journals. Ik kom in die sites niet binnen zonder betalen, en de sites waar ik wél binnenkom vertellen me niet het hele verhaal.

Om te beginnen hebben de vlamtoppen die je ziet niet een heldere 1 op 1 relatie met de geluidsgolf in de buis. Als ik een Deense site mag geloven:

http://www.fysikbasen.dk/English.php?page=Vis&id=6

One might think that where the standing wave has a node, the flames will be small. Unfortunately, the physics of this experiment is not quite that simple. As discussed in the references below, it is actually possible to achieve to different modes of operation by varying the gas and sound pressure!

For a given sound intensity, the flames will typically be highest at the anti-node of the standing wave (i.e. the pressure node (drukbuik = snelheidsknoop, jvdv). If the gas pressure is reduced, the flames at the nodes will be the highest. For a given gas pressure, a high sound volumen results in high flames at the nodes and the reverse at low sound volumes.

Ficken and Stephenson show in their article that the gas flow out of a hole can be written as:

Relation between gas flow, gas pressure and sound pressure for a given sound frequency omega.

So, for low gas pressures and large sound pressures, atmospheric air can actually be sucked into the tube.

IN die vergelijking ontbreekt wat, want een gasdebiet meet je in m³/s, of voor mijn part in kg/s, en in de gegeven uitdrukking kom ik aan de eenheid ([wortel]kg/m)·s^-1. Daar worden we dus ook niet veel wijzer van

Dan wat betreft die knopen en buiken. In geluidsgolven onderscheiden we hierbij drukbuiken en -knopen enerzijds, en amplitudebuiken en -knopen anderzijds. Op een drukbuik vind je een amplitudeknoop.

Kijken we nou naar een vaste achterwand van zo'n resonantiebuis, dan zal duidelijk zijn dat de luchtmoleculen aan die wand niet heen en weer kunnen. Hier moet dus een amplitudeknoop (= drukbuik) zitten.

Aan de open zijde van zo'n buis verwachten we dus een amplitudebuik.

Je vraag, zit er voor die luidspreker/cq rubbermembraan nou een amplitudeknoop (zoals aan een vaste wand) ja of nee? Ik vind tegenstrijdige info.

Schweers en Van Vianen:

aan één zijde gesloten buis, met aan het open einde een luidspreker: daarin passen ¼ golf, ¾ golf etc

dan sluiten ze diezelfde buis af met de luidspreker zelf: de eigenfrequenties zijn dezelfde als zojuist. Kortom, de luidspreker veroorzaakt en amplitudebuik. (en dus een drukknoop zou je denken). Geldt dat ook voor een membraan? Ik kom er eerlijk gezegd niet goed uit, maar ik zou niet weten waarom niet, want ik zie eerlijk gezegd niet het wezenlijke verschil tussen een trillende luidsprekerconus en een trillend membraan.

dan echter het internet op:

dezelfde deense site:

: rubens_2.gif (36.46 KiB) 1192 keer bekeken

Op het eerste gezicht lijkt de situatie hier aan weerszijden van de buis tegengesteld. NB: de groene lijnen en commentaar in het plaatje zijn van mezelf.

Dit lijkt een bevestiging voor Schweers en Van Vianen.

Ook deze plaatjes die ik uit filmpjes van een Nieuw Zeelandse site bij elkaar plakte lijken hierop te wijzen, al zie ik hier niet goed waar de uiteinden van de buis zitten (NB: einde vlammetjes betekent niet noodzakelijk einde buis. in detailfoto's en bouwinstructies voor Rubens' buizen laten ze de uiteinden altijd gaatjesloos om oververhitting van stoppen en membranen te voorkomen. Dit maakt het niet makkelijker om te besluiten of ik nou aan beide uiteinden van de buis geljike of verschillende toestanden heb.

http://www.vuw.ac.nz/scps-demos/demos/Ligh...SoundFlames.htm

: rubenstube.gif (36.12 KiB) 1186 keer bekeken

Resonerende golflengtes die ik erbij heb getypt lijken niet zuiver te kloppen, maar dat is omdat er (door temperatuursveranderingen oid in de buis) vooral bij de grootst getoonde golflengte een andere geluidssnelheid bleek te zijn.

Bij het beoordelen van deze plaatjes moeten we ook rekening houden met wat eerder werd gezegd: de combinatie geluidsdruk+gasdruk speelt dus een grote rol bij wat we aan vlamlengte boven een bepaald punt zien. Als ik het hele verhaal goed begrijp zou je met één frequentie maar een steeds toenemende geluidssterkte die vlambergen en -dalen over de pijp kunnen zien verschuiven, hoewel de buiken en knopen van de geluidsgolf IN de buis niet van plaats kunnen veranderen bij gelijke frequentie. Ik meen dit in mijn zoektocht ergens gelezen te hebben (spijtig dat ik het zo gauw niet terugvind) , maar in het daarbijbehorende filmpje werd dit niet getoond.

Al met al, ook deze plaatjes zijn dus lastig te beoordelen.

Maar als je verder googlet vind je bijvoorbeeld ook:

http://web.njit.edu/phys_lab/Laboratory%20...1/labJ/labJ.htm

Afbeelding

Nou worden getekende plaatjes wel vaker versimpeld. Hier ook?

Afijn, een heel verhaal, een berg werk en nóg geen eenduidig antwoord

. Maar deze buis is dus in elk geval heel wat ingewikkelder dan het op het eerste gezicht lijkt.

Maar aan de kant van het membraan wisselt het tussen een buik en een knoop.

Dit echter lijkt me bijzonder onlogisch. Ik kan niet vatten dat bij correcte beschouwing van de situatie de geluidsgolf in de buis aan de membraankant afwisselend knopen en buiken vertoont. Dat zou resonantie moeten betekenen voor ¼λ ½λ ¾λ etc.

Wat jij buik en knoop noemt neem ik dus aan foutievelijk betrekking te hebben op gasvlambergen en -dalen (en die kunnen dus kennelijk afhankelijk van de relatie gasdruk+geluidsdruk over de buis verschuiven). Maar ook die zouden aan weerszijden van de buis niet afwisselend gelijk en tegengesteld mogen zijn lijkt me. Weet je dat HÉÉL zeker ?

iVion

Bedankt voor de reactie, het heeft in ieder geval wat opgeheldert.

We hebben ons experiment gefilmd, zodra ik thuis ben zal ik proberen het filmpje online te zetten, zodat duidelijk wordt dat we de buiken en knopen zien wisselen.

DePurpereWolf

Denk aan een springplank met een generator er aan (een ja knikker) de generator draait rond en creeert een variabele kracht aan het uiteinde van de springplank. dan heb je daar dus steeds een dal, dan wel een berg.

Jan van de Velde

We hebben ons experiment gefilmd,

Pas op hè, wat je ziet is niet noodzakelijk wat er werkelijk gebeurt.

iVion

Denk aan een springplank met een generator er aan (een ja knikker) de generator draait rond en creeert een variabele kracht aan het uiteinde van de springplank. dan heb je daar dus steeds een dal, dan wel een berg.

Ik begrijp even niet wat dit met een staande golf in een buis te doen heeft? Kun je dit misschien anders verwoorden?

Pas op hè, wat je ziet is niet noodzakelijk wat er werkelijk gebeurt.

Ja, dat snap ik. Maar toch vind ik het vreemd om dit te verklaren wat je in dit filmpje ziet(35Mb!):

http://www.ivion.nl/PWS3.avi

Links staat onze luidspreker, rechts is de gas toevoer. Beide kanten hebben ongeveer 7 cm buis zonder gaatjes aan de uiteinden. Als na de eerste tonen er gedraaid wordt aan de frequentie, zie je links afwisselen tussen een buik en een knoop. Misschien gaat het wat snel, maar als je met pauze werkt is het toch duidelijk te zien.

Jan van de Velde

Misschien gaat het wat snel,

Het kan best aan mijn computer/verbindingen/wmp instellingen liggen (ben ook weer niet zó'n computer adept) maar dat bestand start en stopt weer gelijk

, zonder dat ik wat dan ook zie.....

PWS3 staat netjes in mijn afspeellijst, ik start hem volgens mij netjes, maar "no show".

iVion

Ok denk dat het komt omdat het een DivX video bestand is, ik zal hem even naar standaard windows video proberen om te zetten.

iVion

Kan ik het voorgaande bericht niet bewerken?

In ieder geval, dit is een link naar het filmpje in windows video formaat, als het goed is moet elke windows computer dit kunnen afspelen.

http://www.ivion.nl/PWS3.wmv

Het begint met een paar frequenties, rond 0:30 sec begint het veranderen van frequenties.

Jan van de Velde

Nee, voorgaande berichten kun je niet bewerken. Zou trouwens een zootje worden. Jij zegt bijvoorbeeld "nee", andere mensen reageren daarop, dan verander je je bericht naar "ja". Alle volgende posts slaan nergens meer op, geen enkele lezer snapt meer waar het over gaat.

Hij draait.

Mooi filmpje

Laten we eens even een hypothese stellen, gebaseerd op de info die ik bij elkaar googlede

hypothese 1 : onder een gasvlambuik hoeft niet noodzakelijk een geluidsgolfbuik te zitten. Andersom kan ook, afhankelijk van de verhouding (gasaanvoerdruk + geluidsdruk) - buitendruk op elk punt in de buis.

hypothese 2 : in de buis past steeds een héél aantal halve staande geluidsgolven: ½λ 1λ 1½λ etc

hypothese 2a: zo niet, dan moet het ¼λ ¾λ 1¼λ etc zijn.

Je kent de lengte van de buis (wij nog niet), en kunt de golflengte meten aan de gasvlambuiken.

Afbeelding

de genoemde 648 mm in het plaatje is de afstand tussen de steunen onder de buis, als een soort schaalaanduiding.

Kun je nu bepalen of je steeds met hypothese 2 of met 2a te maken hebt, of juist afwisselend?

DePurpereWolf

Wat ik van de film kan zien is het vrij moeilijk om de precieze resonantie op te zoeken, dat die 'toevallig' 350Hz is geloof ik namelijk niet. door de demping is het moeilijk om precies na te gaan waar resonantie optreed.

Volgens mij is de golf die je ziet ook het kwadraat van de staande golf in de buis, anders zou je een steeds wisselende vlam moeten hebben, zoals met die springplank.

Jan van de Velde

Wat ik van de film kan zien is het vrij moeilijk om de precieze resonantie op te zoeken, dat die 'toevallig' 350Hz is geloof ik namelijk niet. door de demping is het moeilijk om precies na te gaan waar resonantie optreed.

Snap ik niet: wat heft demping ermee te maken? We hebben een staande golf in de buis (bij bepaalde golflengten) die permanent gevoed wordt door de luidspreker

Volgens mij is de golf die je ziet ook het kwadraat van de staande golf in de buis, anders zou je een steeds wisselende vlam moeten hebben, zoals met die springplank.

Wat bedoel je met een wisselende vlam? Op een bepaalde plaats qua grootte wisselend in de tijd? Het is toch een kenmerk van een staande golf dat dat juist niet gebeurt? En ik zie nog steeds het verband met die springplank niet.

DePurpereWolf

Een staande golf:

Is dus als een snaar, of een springplank, naar beneden gericht, en naar boven gericht. Als dit zo zou zijn zou je het moeten zien flikkeren, ik zie het echter niet flikkeren. Dus denk ik dan aan wat men ook bij interferentie van licht ziet: het kwadraat.

Resonantie treed alleen op als bepaalde regels gelden, de frequentie moet erg precies zijn en word gedicteerd door de lengte van de buis. Dit is het geval bij een strak gespannen snaar, hij resoneert alleen als je hem met de correcte frequentie aanspeelt. Met dit filmpje zie je echter dat de amplitude van de golven niet veel verandert als de frequentie verandert, het resonantie punt is dus moeilijk te vinden. Dit komt doordat er andere effecten zoals demping optreden, dit is natuurlijk de lucht, die zich niet als een incompresibel medium gedraagd. Het kan bijvoorbeeld ook zijn dat de speaker te hard staat en het gas het gewoon niet meer kan volgen.

Een springplank is gewoon een klassiek voorbeeld van resonantie.

iVion

Jan van de Velde schreef:hypothese 2 : in de buis past steeds een héél aantal halve staande geluidsgolven: ½λ 1λ 1½λ etc

hypothese 2a: zo niet, dan moet het ¼λ ¾λ 1¼λ etc zijn.

Je kent de lengte van de buis (wij nog niet), en kunt de golflengte meten aan de gasvlambuiken.

Kun je nu bepalen of je steeds met hypothese 2 of met 2a te maken hebt, of juist afwisselend?

De buis heeft een lengte van 1,204 m. Bij een freq. van 700 Hz zien we 4 gasvlambuiken (rekening houdend met de kleine afstanden op de uiteinden waar geen gaatjes zitten), wat zou betekenen dat λ = 0,602 m. Dit betekent dat het hypothese 2 klopt. Als we nu naar 350 Hz draaien zouden we dus 2 gasvlambuiken verwachten, echter bevinden die 2 gasvlambuiken zich bij 375. Dit kan natuurlijk onnauwkeurigheid zijn.

Wat ik van de film kan zien is het vrij moeilijk om de precieze resonantie op te zoeken, dat die 'toevallig' 350Hz is geloof ik namelijk niet. door de demping is het moeilijk om precies na te gaan waar resonantie optreed.

350 Hz klopt inderdaad niet helemaal, ten eerste was onze toongenerator niet uiterst nauwkeurig (5 Hz speling ofzo), en ten tweede gingen we even voor het gemak van die waarde uit omdat we bij 700 Hz 4 gasvlambuiken zagen.

DePurpereWolf schreef:Een staande golf:

Is dus als een snaar, of een springplank, naar beneden gericht, en naar boven gericht. Als dit zo zou zijn zou je het moeten zien flikkeren, ik zie het echter niet flikkeren. Dus denk ik dan aan wat men ook bij interferentie van licht ziet: het kwadraat.

Heeft het gas daar wel tijd genoeg voor? Bij een frequentie van bijv. 700 Hz 'flikkert' het geluid volgens mij met 1/1400 seconden?

Jan van de Velde

De buis heeft een lengte van 1,204 m. Bij een freq. van 700 Hz zien we 4 gasvlambuiken (rekening houdend met de kleine afstanden op de uiteinden waar geen gaatjes zitten), wat zou betekenen dat λ = 0,602 m. Dit betekent dat het hypothese 2 klopt.

1) Ik hou niet zo van "we zien zoveel gasvlambuiken"

Ik zoek het meer richting: de afstand tussen twee gasvlambuiken op de buis is ...... dus de golflengte was op dat moment...... en dus passen er ..... golflengten in de buis. Anders kunnen we nooit besluiten of

hypothese 2 : in de buis past steeds een héél aantal halve staande geluidsgolven: ½λ 1λ 1½λ etc

hypothese 2a: zo niet, dan moet het ¼λ ¾λ 1¼λ etc zijn

.

Als we nu naar 350 Hz draaien zouden we dus 2 gasvlambuiken verwachten, echter bevinden die 2 gasvlambuiken zich bij 375. Dit kan natuurlijk onnauwkeurigheid zijn.

dit is een verkeerde benadering. Je moet zeggen: de buis resoneert bij 375 Hz. Dan nog, die frequentie zegt niet alles. De geluidssnelheid in je buis kan behoorlijk variëren, vooral afhankelijk van de temperatuur in je buis.

Zo te zien aan de snelheden die ik uitreken in jouw geval van 420 tot 450 m/s. Dat zijn helemaal geen gekke afwijkingen. Geen idee hoe de temperatuursafhankelijkheid van de geluidssnelheid in aardgas loopt (daar ben je mee bezig zo te zien) maar in lucht neemt de geluidssnelheid al gauw toe met 0,6 m/s per graad celsius. Voor aardgas is dat vast wel op te googlen.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Rubens' tube

Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube

Re: Rubens' tube