- Учителю
- Исследование звука. Демонстрация стоячей волны
Исследование звука. Демонстрация стоячей волны
Исследование звука. Демонстрация стоячей волны
Содержание
Вступительная часть
Гипотеза
Цели
Задачи
Теоретическая часть
Природа волн
Дифракция, дисперсия, интерференция волн
Понятие стоячей волны
Звук
Понятие звука
Распространение звука
Скорость звука
Звуковое давление
Интенсивность звука
Звуковая энергия
Сила звука
Звуковая частота
Инфразвук
Ультразвук
Гиперзвук
Опыт Рубенса
История опыта
Учёные, давшие начало исследованиям
Практическая часть
Установка «Труба Рубенса»
Приложения
Вступительная часть
Гипотеза:
Исходя из знаний о звуковых волнах, я предполагаю, что звуковые волны в воздушной (газовой) среде являются продольными и формируют собой области повышенного и пониженного давления.
Цель работы:
Осуществить демонстрацию стоячей волны, собрав экспериментальную установку под названием «Труба Рубенса», и подтвердить гипотезу.
Задачи:
Изучить природу звука, причины возникновения, физические его параметры; собрать экспериментальную установку.
Теоретическая часть
Природа волн
Волна -возмущения, распространяющиеся в пространстве. Волновые процессы имеют разную физическую природу. Они могут быть механическими (звук, маятник), химическими (реакция Белоусова-Жаботинского), электромагнитными (электромагнитное излучение), гравитационными (гравитационные волны в теории относительности), спиновыми (магноны), плотности вероятности (ток вероятности в квантовой механике). Мы будем рассматривать механические колебания.
Колебания, имеющие механическую природу, являются гармоническими, то есть описываются уравнениями синуса (или косинуса): где x - значение колеблющейся величины в момент времени t, A - амплитуда (наибольшее отклонение от положения равновесия), ω - угловая частота, φ - начальная фаза колебаний, (ωt+φ) - полная фаза колебаний.
Фаза колебаний - это аргумент периодической функции, описывающей волновой процесс.
Угловая частота - скалярная физическая величина, мера частоты вращательного или колебательного движения; является производной по времени от фазы колебания: , через частоту выражается как: .
Механические волны - это волны упругие, т.е. это возмущения, распространяющиеся в твёрдой, жидкой и газообразной средах благодаря действию в них сил упругости.
Упругие волны:
Продольные волны - волны, колебания которых происходят вдоль направления распространения волны. Возмущения такой волны представляют собой области сжатия и разрежения среды. Распространяются во всех средах.
Поперечные волны - волны, колебания которых происходят перпендикулярно направлению распространения волны. Возмущения этих волн представляют собой смещения (сдвиги) одних слоёв среды относительно других. Распространяются только в твёрдых телах.
Фронт волны - волновая поверхность - геометрическое место точек, в которых фаза колебаний имеет одно и то же значение.
Плоские волны - волны, волновые поверхности которых представляют совокупность плоскостей, параллельных друг другу.
Сферические волны - волны, волновые поверхности которых имеют вид концентрических сфер.
Дифракция, дисперсия, интерференция волн
Дифракция волн - физическое явление, заключающееся в огибании волнами препятствий.
Дисперсия волн - физическое явление, заключающееся в изменении волнового возмущения произвольной негармонической формы по мере его распространения.
Интерференция волн - физическое явление, заключающееся во взаимном увеличении или уменьшении амплитуды двух или нескольких когерентных (согласованных, равных) волн при их наложении друг на друга.
Стоячая волна
Стоячая волна - явление интерференции волн, распространяющихся в противоположных направлениях, при котором перенос энергии значительно ослаблен или отсутствует. Проще говоря, стоячие волны можно представить как суперпозицию волн, распространяющихся в противоположных направлениях - падающей и отражённой.
Стоячая волна возникает при отражении волны в результате взаимодействия (интерференции) падающей и отражённой волн. Стоячая волна может существовать только при отсутствии потерь в среде распространения и полном отражении падающей волны. В реальной же среде энергия всегда стремится к местам поглощения и излучения, а этот перенос искажает факторы, от которых зависит интерференция падающей и отражённой волн.
В противовес стоячим волнам существуют волны бегущие. Бегущая волна - волна, не имеющая отражения, полностью поглощённая при падении. Такие волны не имеют интерференции, но их амплитуда постоянна в пространстве.
Примеры стоячих волн: колебания струн, воздуха в органных трубах, волны Шумана (электромагнитные волны низких и сверхнизких частот между поверхностью Земли и ионосферой).
Звук
Понятие звука
Звук - звуковые волны - распространяющиеся в виде волн колебательные движения частиц упругой среды: газообразной, жидкой или твёрдой. (Упругой средой называется та среда, любой выделенный объём которой обладает свойством упругости).
Как и всякое колебание, звуковые волны связаны с нарушением равновесия системы и выражаются в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к ним. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение - звуковым давлением.
В жидких и газообразных средах акустические (звуковые) волны имеют продольный характер, направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах (помимо продольных деформаций) возникают деформации сдвига, носящие поперечный характер, где частицы совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространению волны.
Звуковые волны имеют ряд характеристик, которые будут приведены ниже.
Источником, или генератором, звука может являться любое тело, колеблющееся с частотой звуковой волны.
Распространение звука
Распространение звука (ультразвука) - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.
Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разрежение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине (ультра)звуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разрежения среды при данной амплитуде колебаний.
Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия, называется колебательной скоростью. Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению:
,
где V - величина колебательной скорости,
U - амплитуда колебательной скорости,
f - частота (ультра)звука,
t - время,
G - разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным акустическим давлением.
Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость, с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды:
Акустическое давление - величина колебательной силы, действующей на единичную площадь фронта волны и вызывающая периодическое сжатие упругой среды (газа или жидкости):
где P - акустическое давление (Н/),
F - величина колебательной силы (Н),
S - площадь фронта волны ()
Колебательная скорость - физическая величина, равная произведению амплитуды колебаний частиц среды, через которую проходит периодическая звуковая волна, на угловую частоту:
Колебательная скорость - это скорость частиц, с которой движутся по отношению к среде в целом частицы, колеблющиеся около положения своего равновесия при прохождении звуковой волны. Именно поэтому её следует отличать от скорости движения среды и от скорости распространения волны; v « c.
Скорость звука
Скорость звука - скорость распространения упругих (звуковых) волн в среде. Скорость звука определяется упругостью и плотностью среды, её температурой, в монокристаллах она зависит от направления распространения волны (из-за того, что там имеет место быть анизотропия).
Формулы для расчёта скорости звука
Скорость звука в однородной жидкости, либо газе, вычисляется по формуле:
,
где β - адиабатическая сжимаемость среды, ρ - её плотность.
В частных производных расчёт производится по формулам:
,
где γ - показатель адиабаты (5/3 для одноатомных газов, 7/5 для двухатомных газов и воздуха, 4/3 для многоатомных газов), k - постоянная Больцмана, R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура (в Кельвинах), m - молекулярная масса, M - молярная масса (в кг/моль),
а α вычисляется по формуле:
Адиабатическая сжимаемость среды
Сжимаемость - свойство вещества изменять свой объём под действием всестороннего равномерного внешнего давления. Сжимаемость характеризуется коэффициентом сжимаемости, который определяется формулой:
где V -объём вещества, p - давление, а знак минус указывает на уменьшение объёма с повышением давления.
Величина коэффициента сжимаемости зависит от того. В каком процессе происходит сжатие вещества. Для адиабатического процесса адиабатический коэффициент сжимаемости (или адиабатическая сжимаемость среды) определяется по формуле:
где s обозначает энтропию (так как адиабатический процесс протекает при постоянной энтропии (иначе говоря, с определённой мерой процесса необратимости)).
В частных производных расчёт производится по формулам:
,
где γ - показатель адиабаты (5/3 для одноатомных газов, 7/5 для двухатомных газов и воздуха, 4/3 для многоатомных газов),
k - постоянная Больцмана,
R - универсальная газовая постоянная,
T - абсолютная температура (в Кельвинах),
m - молекулярная масса,
M - молярная масса (в кг/моль),
а α вычисляется по формуле:
Скорость звука в твёрдых телах вычисляется по формуле:
где K - модуль всестороннего сжатия,
G - модуль сдвига,
E - модуль Юнга,
v - коэффициент Пуассона.
Модуль всестороннего сжатия - физическая величина, характеризующая способность среды (вещества) сопротивляться всестороннему сжатию. Определяется формулой:
Модуль сдвига - физическая величина, характеризующая способность материала сопротивляться сдвиговой деформации. Определяется формулой:
где F - действующая сила, I - начальная длина, A - площадь, на которую действует сила F, ∆x - смещение. (см. Приложение 1).
Модуль Юнга - физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению (сжатию) при упругой деформации. Определяется формулой:
(S и ∆l заменяют A и ∆x по сравнению с предыдущей формулой).
Коэффициент Пуассона - физическая величина, выражающая отношение относительного поперечного сжатия ( к относительному удельному растяжению ():
Зависит от природы материала и характеризует упругие свойства изотропного материала.
Звуковое давление
Звуковое давление - переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Значение звукового давления как правило рассматривается лишь в своём среднеквадратичным значением и вычисляется согласно формуле:
где I - интенсивность звука, p - звуковое давление, − удельное акустическое сопротивление среды, <>t - усреднение по времени.
При рассмотрении периодических колебаний иногда используют амплитуду звукового давления; так, для синусоидальной волны:
где - амплитуда звукового давления.
Интенсивность звука
Интенсивность звука - скалярная физическая величина, характеризующая мощность, переносимую звуковой волной в направлении распространения. Количественно интенсивность звука равна среднему по времени потоку звуковой энергии через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения звука:
где T - время усреднения, ∆P - поток звуковой энергии, переносимый через площадку ∆S.
Мгновенная интенсивность звука равна:
Звуковая энергия
Звуковая энергия - энергия колебаний частиц среды, переносящей звуковые волны. Измеряется в Джоулях.
Поток звуковой энергии - акустическая мощность P - физическая величина, равная отношению звуковой энергии ∆W, переносимой упругой средой через заданную поверхность, к интервалу времени ∆t, за который эта энергия переносится:
Сила звука
Сила звука - устаревший термин, описывающий величину, подобную интенсивности звука, но не идентичную ей. В настоящее время заменён термином «уровень громкости звука».
Громкость звука - субъективное восприятие интенсивности (силы) звука. Зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. Так же на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия и т.д.
Уровень громкости звука - относительная величина, выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления в 1дБ, создаваемого тоном синусоидальной зависимости частотой 1кГц.
Частота звука
Звуковые волны затрагивают большой диапазон:
- частоту менее 16Гц имеет инфразвук
- от 16Гц до 20кГц - слышимый звук
- частота более 20кГц - ультразвук
Частотой определяется высота звука - чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук.
Инфразвук
Инфразвук - упругие волны, подобные звуковым, но имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. Границы частот этих волн - от 0,001Гц до 16-25Гц.
Природа инфразвука такая же, как и у звуковых колебаний, поэтому он подчиняется тем же физическим и математическим законам.
Но из-за низкой частоты колебаний инфразвук, в отличии от слышимого звука:
- имеет большие амплитуды колебаний (при равной мощности)
- распространяется в воздухе гораздо дальше, т.к. поглощение инфразвука атмосферой незначительно
- так же из-за большой длины волны имеет ярко выраженную дифракцию, что позволяет огибать ему звукоизолирующие преграды
- вызывает вибрацию крупных объектов из-за того, что входит в резонанс с ними.
Источники инфразвука
Природные источники:
Инфразвук генерируется планетарной корой при землетрясениях, ударах молний, при сильном ветре. При помощи инфразвука общаются между собой киты и слоны.
Техногенные источники:
Техногенный инфразвук генерируется разнообразным оборудованием при колебаниях поверхностей больших размеров, мощными турбулентными потоками жидкостей и газов, при ударном возбуждении конструкций, вращательном и возвратно-поступательном движении больших масс. Основными техногенными источниками инфразвука являются тяжёлые станки, ветрогенераторы, вентиляторы, электродуговые печи, турбины, сабвуферы, водосливные плотины, реактивные двигатели, судовые двигатели. Кроме того, инфразвук возникает при наземных, подводных и подземных взрывах.
Применение инфразвука
Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень большие расстояния, и инфразвук может служить предвестником бурь, ураганов, цунами. Это явление находит практическое применение при определении места сильных взрывов или положения стреляющего орудия. Звуки взрывов, содержащие большое количество инфразвуковых частот, применяются для исследования верхних слоёв атмосферы, свойств водной среды.
Ультразвук
Ультразвук - упругие волны, вызывающие возмущения в среде, подобные тем, что вызывают звуковые волны, но находящиеся вне предела слышимости - с частотой от 20кГц и выше.
Источники ультразвука
Природные источники:
В природе ультразвук встречается в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в звуках, сопровождающих грозовые разряды). Также некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве и общения (дельфины, летучие мыши).
Техногенные источники:
Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне от нескольких десятков КГц до единиц МГц. Высокочастотные колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей, например, из титанита бария. Когда же основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путём (камертоны, свистки, сирены).
Исходя из этого, излучатели ультразвука можно разделить на две группы: генераторы и преобразователи. В излучателях-генераторах колебания возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости. Во торой группе излучателей - электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твёрдого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.
Применение ультразвука
1) В медицине - УЗИ, фонофорез (комбинированный метод лечения, при котором на ткани вместо обычного геля для ультразвуковой эмиссии наносится лечебное вещество. Предполагается, что ультразвук помогает лечебному веществу глубже проникать в ткани).
2) В производстве - сверление дып в металлах, приготовление эмульсий, ультразвуковая сварка (сварка давлением при возжействии ультразвуковых волн. Применяется там, где нагрев деталей затруднён).
3) В дефектоскопии
4) В биологии - для разрыва тканей на клеточном уровне, для создания мутаций - даже малое воздействие ультразвука может повредить молекулу ДНК
5) В эхолокации
6) В очистке веществ: Применение ультразвука для механической очистки основано на возникновении под его воздействием в жидкости различных нелинейных эффектов. К ним относится кавитация, акустические течения, звуковое давление. Основную роль играет кавитация. Её пузырьки, возникая и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия. Используемый для этих целей ультразвук имеет низкую частоту и повышенную мощность.
7) В гальванотехнике (ультразвук делает более интенсивными гальванические процессы, улучшая качества покрытий, получаемых электрохимическим способом).
Гиперзвук
Гиперзвук - упругие волны с частотой от 109 до 1012-1018 Гц. По физической природе гиперзвук не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Его часто представляют как поток квазичастиц - фононов.
Фононы - квант колебательного движения атомов кристалла.
В воздухе при нормальных условиях гиперзвук не распространяется вследствие сильного поглощения. Наиболее существенны взаимодействия гиперзвука с квазичастицами в среде - с электронами проводимости, тепловыми фононами, магнонами.
Так как гиперзвук в большей степени относится к области изучения кристаллов, в работе будут приведены лишь общие его характеристики.
Область частот гиперзвука соответствует сверхвысоким частотам (СВЧ). Используя технику генерации и приёма электромагнитных колебаний СВЧ, удалось получить и начать исследование частот гиперзвука ~ 1011 Гц.
Воссоздание, а значит и наблюдение и исследование, гиперзвуковых волн в нормальных условиях невозможно, потому что при нормальных условиях частоте 109 Гц в воздухе соответствует длина волны примерно одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе, а поскольку упругие волны могут распространяться в упругой среде только при условии, что длины этих волн заметно больше длины свободного пробега в газах (или больше межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых телах), то в воздухе и газах при нормальном атмосферном давлении гиперзвуковые волны не распространяются. В жидкостях затухание гиперзвука очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошими проводниками гиперзвука являются твёрдые тела в виде монокристаллов, но главным образом лишь при низких температурах.
Именно эта причина стала основной к выделению гиперзвукового спектра упругих волн в самостоятельную группу.
До того, как стало возможным получать гиперзвук искусственным путём, изучение гиперзвуковых волн и их распространения в жидкостях и твёрдых телах проводилось, главным образом, оптическим методом. Наличие гиперзвука теплового происхождения в оптически прозрачной среде приводит к рассеянию света с образованием нескольких спектральных линий, смещенных на частоту гиперзвука, так называемое рассеяние Мандельштама - Бриллюэна. Исследования гиперзвука в ряде жидкостей привели к открытию в них зависимости скорости распространения гиперзвука от частоты и его аномального поглощения.
Современные методы генерации и приёма гиперзвука основываются главным образом на использовании явлений пьезоэлектричества (возникновения электрических зарядов на поверхности пьезоэлектрического кристалла, например на пластинке кварца, вырезанной определенным образом под действием механической деформации, и, наоборот, деформация кристалла, помещенного в электрическое поле) и магнитострикции (изменения формы и размеров тела при намагничивании и изменения намагниченности при деформации).
Свойства гиперзвука позволяют использовать его как инструмент исследования состояния вещества. Особенно велико его значение для изучения физики твёрдого тела. В области технических применений, развитие которых только начинается, уже сейчас существенно его использование для ультразвуковых линий задержки (акустических линий задержки в области ЧСВ).
Опыт Рубенса
Опыт Рубенса, носящий название «Труба Рубенса» (или же труба стоячей волны, огненная труба) - физический эксперимент по демонстрации стоячей волны, основанный на связи между звуковыми волнами и давлением воздуха (газа).
История эксперимента
В 1858 году Джон Ле Конт открывает чувствительность пламени к звуку.
В 1862 году Рудольф Кёнинг показывает, как можно изменять высоту пламени, посылая звук к источнику пламени.
В 1866 году Август Кундт демонстрирует акустические стоячие волны.
И только в 1904 году, используя эти два эксперимента, Генрих Рубенс осуществил свой знаменитый опыт. Он взял 4х-метровую трубу, просверлил в ней 200 маленьких отверстий с шагом 2см и заполнил её горючим газом. После поджигания пламени (высота огоньков была 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. С теоретической стороной явления Рубенсу помогал О.Кригар-Менцель.
Демонстрации
Труба Рубенса демонстрировалась в музее науки «The exploratory» (Бристоль, Англия), вплоть до закрытия в 1999 году, как действующая опытная установка, позднее была перевезена в музей как один из экспонатов.
Подобные опыты демонстрируются на физических кафедрах во многих университетах мира.
Учёные, давшие начало исследованию
Рудольф Кёниг (26 ноября 1832 - 2 октября 1901) - немецкий физик, изобретатель, занимался акустикой.
Август Адольф Эдуард Эберхард Кундт (18 ноября 1839 - 21 мая 1894) - известный немецкий физик.
Научные работы Кундта отличаются новизной и вместе с тем остроумием и простотой примененного в них способа исследования. Одна из первых его работ (1867-1868), открывшая новый путь для исследований, относится к определению скорости звука в газах и твердых. Второй выдающейся работой Кундта было исследование аномальной дисперсии. Общее внимание физиков было привлечено опытами Кундта над распределением электричества на поверхности кристаллов при их нагревании и сдавливании (пиро- и пьезоэлектричество). Также весьма важны работы Кундта о магнитном вращении плоскости поляризации света в металлах. Кроме этих главнейших исследований Кундта, достойны упоминания его работы о внутреннем трении газов, их теплопроводности, о двойном преломлении во вращающихся жидкостях, о явлениях Керра и Холла и т. д.
Генрих Рубенс (30 марта 1865 (Висбаден) - 17 июля 1922 (Берлин)) - немецкий физик-экспериментатор, автор научных трудов по оптике, спектроскопии, физике теплового излучения.
Бо́льшая часть научных исследований Рубенса связана с инфракрасным диапазоном спектра электромагнитного излучения. Уже в 1889 году Рубенс начал измерения длины волны ИК-лучей при помощи болометра и решетки Роуленда. В 1896 году вместе с американцем Эрнестом Фоксом Николсом разработал так называемый метод остаточных лучей. К 1898 году этим методом удалось измерить длины волн вплоть до 61,1 мкм. Эта методика была использована для изучения свойств теплового излучения в длинноволновой области. В 1900 году Рубенс совместно с Фердинандом Курльбаумом измерил спектр черного тела вплоть до длины волны 51,2 мкм и подтвердил несправедливость закона излучения Вина в длинноволновой области, причем интенсивность теплового излучения в этом диапазоне становилась пропорциональной температуре. Эти эксперименты создали предпосылки для вывода Максом Планком своей знаменитой формулы и создания в дальнейшем квантовой теории теплового излучения. Формула Планка была с высокой точностью проверена в последующих опытах; в частности, в 1921 году, незадолго до своей смерти, Рубенс сообщил о результатах своих новых измерений, которые полностью подтверждали выводы квантовой теории. По словам Планка,
В последующие годы Рубенс продолжал развивать свой подход и продвигаться все дальше в область длинных волн. Так, в работе, выполненной совместно с Робертом Вудом, использовался метод кварцевой линзы. Этот метод позволил Рубенсу и его сотрудникам изучить дисперсионные и абсорбционные свойства различных веществ в ИК-области и проверить справедливость соотношения ) между показателем преломления и диэлектрической проницаемостью. Другой областью применения метода стала экспериментальная проверка теории вращательных спектров, благодаря чему удалось определить момент инерции молекулы воды.
В 1900-1903 годах Рубенс вместе с Эрнстом Хагеном провел классические опыты по измерению отражательной способности металлов, которые подтвердили выводы электромагнитной теории света о том, что в длинноволновой области отражательная способность определяется только электропроводностью металла. На протяжении своей научной карьеры ученый сконструировал ряд новых приборов - болометр, термостолбик, зеркальный гальванометр и другие экспериментальные установки, в том числе «трубу Рубенса».
Практическая часть
Труба Рубенса
Использованные материалы:
- алюминиевая труба диаметром 15мм и длиной 1м
- баллончик с газом (пропаном)
- колонка (источник звука)
- воронка (обычная пластиковая воронка из отдела хоз.товаров)
- силиконовая трубочка диаметром … и длиной примерно полметра
- изолента
- спички
Ход работы:
1) Разметить трубу (расстояние между дырами должно быть равно 1см), сверлить дыры.
2) Присоединить к баллону с газом вентиль и силиконовую трубку для его подачи.
3) Разрезать воронку в месте, равном диаметру трубы и присоединить к ней полученные половинки.
4) Сторону с широким концом плотно приклеить к колонке, к стороне с узким концом приклеить силиконовую трубку, идущую от баллона с газом.
5) Расположить установку на ровной поверхности так, чтобы труба лежала параллельно плоскости стола.
6) Пустить по трубе газ.
7) Подать звук.
8) Поджечь.
9) Наблюдать.
Устройство:
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 (см. Приложение 2). 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.
Приложения
Приложение 1. Сдвиговая деформация
F - действующая сила,
I - начальная длина,
A - площадь, на которую действует сила F,
∆x - смещение
Приложение 2. Области повышенного и пониженного давления
29