Un tubo de Rubens , también conocido como tubo de llama de ondas estacionarias 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 , como un osciloscopio primitivo . Hoy en día, se utiliza solo ocasionalmente, generalmente como demostración en la enseñanza de la física.
Se perfora un tramo de tubo 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 ). El tubo se llena con el gas y se enciende el gas que se escapa de las perforaciones. Si se utiliza una frecuencia constante adecuada, se puede formar una onda estacionaria dentro del tubo. Cuando se enciende el altavoz, 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 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 a partir del mínimo y máximo de la llama simplemente midiendo con una regla.
Como 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 sonora estacionaria. Según este argumento, la altura de la llama depende de forma no lineal de la presión local dependiente del tiempo. El promedio temporal del flujo se reduce en los puntos con presión oscilante y, por lo 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 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 tubería de cuatro metros con aproximadamente 100 orificios de 2 mm de diámetro espaciados uniformemente a lo largo de su longitud. [2]
Cuando los extremos del tubo están sellados y se bombea un gas inflamable al dispositivo, el gas que escapa se puede encender para formar una fila de llamas de tamaño aproximadamente igual. Cuando se aplica sonido desde un extremo por medio de un altavoz, la presión interna cambiará a lo largo de la longitud 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 la 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 que utilizaba perlas de poliestireno en lugar de llamas estuvo presente en el centro de ciencias At-Bristol hasta 2009. [4] Los estudiantes hacen modelos del tubo de Rubens en la exhibición de ciencias de su escuela.
Esta exhibición también se encuentra en los departamentos de física de varias universidades. [5] Varias ferias de física también tienen una, como: Rino Foundation [6] (Países Bajos), Fysikshow Aarhus (Dinamarca), Fizika Ekspres (Croacia) y ÅA Physics show (Finlandia). [7] [8]
Los Cazadores de Mitos también incluyeron una demostración en su episodio "Extintor de llamas por voz" en 2007. [9] El programa 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 Científico de Edmonton (Telus World of Science) utilizó un tubo de Rubens y ganó la competencia. El especial se filmó 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 mecheros 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 plano provoca cambios en la altura y el color de las llamas. El tubo de Rubens 2D se hizo famoso gracias a un grupo de demostración científica danés en Dinamarca llamado Fysikshow. [12]
Un tubo de Rubens 2D se compone de muchas partes diferentes. La parte principal en sí es la caja de acero rectangular que da salida al gas propano. El acero se utiliza generalmente para el plano de las placas pirotécnicas porque el compuesto puede soportar inmensas cantidades de calor y aún así mantener su estructura. Se perforan agujeros en la parte superior del plano de acero para dar salida al gas propano que se bombea de forma constante y lenta 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 estilo madera, el interior de la caja suele estar cubierto con algún tipo de membrana resistente al calor que evita que el propano del interior de la caja se filtre.
En los laterales de la caja de acero hay altavoces que introducen un sonido en el medio que contiene. La velocidad a la que el gas propano escapa por los orificios de la parte superior de la placa pirotécnica 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, 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 las placas pirotécnicas varían en tamaño, cada placa tiene sus propias frecuencias únicas a 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".
