Un tubo de Rubens , también conocido como tubo de llama de onda estacionaria , o simplemente tubo de llama , es un aparato de física 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 , a modo de osciloscopio primitivo . Hoy en día, se utiliza sólo ocasionalmente, normalmente como demostración en educación física.
Se perfora un tramo de tubería en la parte superior y se sella en ambos extremos: un sello se conecta 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 por las perforaciones. Si se utiliza 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 presión oscilante debido a las ondas sonoras, escapará menos gas por las perforaciones del tubo y las llamas serán más bajas en esos puntos. En los puntos de presión las llamas son más intensas. Al final del tubo, la velocidad de la molécula de gas es cero y la presión de oscilación es máxima, por lo que se observan llamas bajas. Es posible determinar la longitud de onda a partir del mínimo y máximo de la llama simplemente midiendo con una regla.
Dado que la presión promediada en el tiempo es igual en todos los puntos del tubo, no es sencillo explicar las diferentes alturas de la llama. La altura de la llama es proporcional al flujo de gas como se muestra en la figura. Basado en 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 sonora estacionaria. Según este argumento, la altura de la llama depende de forma no lineal de la presión local dependiente del tiempo. El tiempo medio del flujo se reduce en los puntos con presión oscilante y por tanto las llamas son más bajas. [1]
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 preliminares de la física cuántica, es más conocido por su tubo de llama, que se demostró en 1905. Este tubo original de Rubens era una sección de tubería de cuatro metros con aproximadamente 100 orificios de 2 mm de diámetro espaciados uniformemente a lo largo de su longitud. [2]
Cuando se sellan los extremos de la tubería 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 mediante un altavoz, la presión interna cambiará a lo largo del tubo. Si el sonido tiene una frecuencia que produce ondas estacionarias, la longitud de onda será visible en la serie de llamas, donde las llamas más altas se producirán en los nodos de presión y las llamas más bajas se producirán en los antinodos de presión. Los antinodos de presión corresponden a los lugares con mayor cantidad de compresión y rarefacción . [1]
El récord Guinness del tubo de Rubens más largo se logró en 2019, cuando el programa científico Kvark construyó un tubo de Rubens de 10 metros en Saku Suurhall . [3]
Un tubo de Rubens estuvo en exhibición en The Exploratory en Bristol, Inglaterra, hasta que cerró en 1999. Una exhibición similar usando cuentas de poliestireno en lugar de llamas se presentó en el centro científico de At-Bristol hasta 2009. [4] Los estudiantes hacen modelos de tubos de Rubens en su exposición de ciencias escolares.
Esta pantalla también se encuentra en los departamentos de física de varias universidades. [5] Varios espectáculos de física también tienen uno, como: Rino Foundation [6] (Países Bajos), Fysikshow Aarhus (Dinamarca), Fizika Ekspres (Croacia) y ÅA Physics show (Finlandia). [7] [8]
Los MythBusters también incluyeron una demostración en su episodio "Voice Flame Extifused" en 2007. [9] The Greatest Show Ever del Daily Planet , [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 el concurso. 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 "Ola de fuego".
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 de Londres . [11]
Un tubo de Rubens 2D, también conocido como placa pirotécnica, es un plano de mechero Bunsen que puede demostrar una onda estacionaria acústica en dos dimensiones. Al igual que su predecesor, el tubo unidimensional de Rubens, esta onda estacionaria es causada por multitud de factores. La variación de presión provocada por la entrada de gas propano que interfiere con la entrada de ondas sonoras al avión provoca cambios en la altura y el color de las llamas. El tubo 2D de Rubens se hizo famoso gracias a un grupo de demostradores científicos daneses en Dinamarca llamado Fysikshow. [12]
Un tubo de Rubens 2D se compone de muchas partes diferentes. La parte principal en sí es la caja rectangular de acero que produce el gas propano. El acero se utiliza generalmente para el avión en placas pirotécnicas porque el compuesto generalmente puede soportar inmensas cantidades de calor y aún así mantener su estructura. Se perforan agujeros en la parte superior del plano de acero para sacar el gas propano que se bombea constante y lentamente hacia la caja de acero. [13] En lugar de tener una caja de acero completa, algunos diseños de placas pirotécnicas tienen lados de madera para sostener el plano de acero en la parte superior. En las placas pirotécnicas de madera, el interior de la caja suele estar cubierto con algún tipo de membrana resistente al calor que evita que se filtre el propano dentro de la caja.
A los lados de la caja de acero hay parlantes 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 entrante. Esta relación es directamente proporcional, lo que significa que a medida que aumenta la intensidad del sonido, aumenta la velocidad a la que se escapa el gas propano.
Dado que el medio dentro de la caja de acero se mantiene en un volumen constante, se puede producir una onda estacionaria. La frecuencia a la que se puede producir la onda estacionaria depende en gran medida de las dimensiones físicas de la caja y de la longitud de onda de la onda. Dado que los tableros pirotécnicos varían en tamaño, cada tablero tiene sus propias frecuencias únicas en las que se puede producir una onda estacionaria.
Cita en alemán: "Eine geradlinige reihe von etwa 100 löchern von 2 mm weite": "Una línea recta de unos 100 agujeros de 2 mm de ancho".
