Kundtsova trubice - Kundts tube - Wikipedia

Kresba z Kundtova původního papíru z roku 1866 Annalen der Physik, zobrazující Kundtovu trubicovou aparaturu (obr.6 a 7, nahoře) a práškové vzory, které vytvořil (obr. 1, 2, 3, 4).

Kundtova trubice je experimentální akustický přístroj vynalezený v roce 1866 německým fyzikem August Kundt[1][2] pro měření rychlost zvuku v plyn nebo a pevný tyč. Experiment se dodnes vyučuje kvůli jeho schopnosti demonstrovat podélné vlny v plynu (což je často obtížné vizualizovat). Dnes se používá pouze k demonstraci stojaté vlny a akustické síly.

Jak to funguje

Trubka je a průhledný vodorovná trubka, která obsahuje malé množství jemného prášku, jako je korek prach, mastek nebo Lycopodium.[3] Na jednom konci trubice je zdroj zvuku na jedné frekvenci (a čistý tón ). Kundt použil kovovou tyč rezonátor že způsobil, že vibroval nebo „zazvonil“ třením, ale moderní demonstrace obvykle používají a reproduktor připojeno k a generátor signálu vyrábějící a sinusoida. Druhý konec trubky je blokován pohyblivým pístem, kterým lze upravit délku trubky.

Zapne se zvukový generátor a nastaví se píst, dokud se zvuk z trubice náhle nezvýší. To znamená, že trubice je na rezonance. To znamená, že délka cesty zpětného toku zvukových vln, od jednoho konce trubice k druhému a zpět, je násobkem vlnová délka λ z zvukové vlny. Proto je délka trubice násobkem poloviny vlnové délky. V tomto bodě jsou zvukové vlny v trubici ve formě stojaté vlny a amplituda vibrací vzduchu jsou nulové ve stejných intervalech podél trubice, které se říká uzly. Prášek je zachycen v pohybujícím se vzduchu a usazuje se v malých uzlech nebo čarách v těchto uzlech, protože vzduch je tam klidný a tichý. Vzdálenost mezi hromadami je jedna polovina vlnová délka λ/ 2 zvuku. Měřením vzdálenosti mezi hromadami, vlnové délky λ zvuku ve vzduchu. Pokud frekvence F zvuku je znáno, vynásobením vlnovou délkou získáte rychlost zvuku C ve vzduchu:

Podrobný pohyb prášku je vlastně způsoben tzv. Efektem akustické streamování způsobené interakcí zvukové vlny s mezní vrstva vzduchu na povrchu trubice.[4]

Další experimenty

Naplněním trubice jinými plyny kromě vzduchu a částečnou evakuací pomocí vakuové pumpy byl Kundt také schopen vypočítat rychlost zvuku v různých plynech při různých tlacích. Aby vytvořil své vibrace, Kundt zastavil druhý konec trubice pomocí uvolněné zátky připevněné ke konci kovové tyče vyčnívající do trubice, upnuté v jejím středu. Když byla podélně otřena kouskem kůže potaženým kalafuna, tyč vibrovala podélně na jeho základní frekvence, rozdává vysokou notu. Jakmile byla známa rychlost zvuku ve vzduchu, umožnilo to Kundtovi vypočítat rychlost zvuku v kovu rezonátorové tyče. Délka prutu L se rovnala polovině vlnové délky zvuku v kovu a vzdálenosti mezi hromadami prášku d se rovnala polovině vlnové délky zvuku ve vzduchu. Poměr těchto dvou se tedy rovnal poměru rychlosti zvuku ve dvou materiálech:

Důvod přesnosti

Moderní verze Kundtova trubicového experimentu, používaná na jihoamerickém univerzitním kurzu fyziky. Namísto průhledné trubice s práškem v ní k odhalení uzlů se používá mikrofony namontován v trubce. Píst (pravý střed) se pohybuje sem a tam. Když je mikrofon v poloze uzly vlny se akustický tlak sníží na nulu. Akustický výkon z mikrofonů se zaznamenává na zapisovač grafů (uprostřed vzadu).

Méně přesná metoda stanovení vlnové délky s trubicí, použitá před Kundtem, je jednoduše změřit délku trubice při rezonanci, která se přibližně rovná násobku poloviční vlnové délky. Problém této metody spočívá v tom, že když je trubice vzduchu poháněna zdrojem zvuku, její délka při rezonanci není přesně stejná jako násobek poloviční vlnové délky.[3] Protože vzduch na zdrojovém konci trubice, vedle membrány reproduktoru, vibruje, není přesně v uzlu (bod nulové amplitudy) stojaté vlny. Uzel se skutečně vyskytuje v určité vzdálenosti za koncem trubice. Kundtova metoda umožňovala s velkou přesností určit skutečné umístění uzlů.

Viz také

Reference

  1. ^ Kundt, A. (1866). „Ueber eine neue Art Akustischer Staubfiguren und über die Anwendung derselben zur Bestimmung der Shallgeschwindigkeit in festen Körpern und Gasen“. Annalen der Physik (v němčině). Lipsko: J. C. Poggendorff. 127 (4): 497–523. Bibcode:1866AnP ... 203..497K. doi:10.1002 / andp.18662030402. Citováno 2009-06-25.
  2. ^ Kundt, srpen (leden – červen 1868). „Akustické experimenty“. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. Sv. 35 č. 4. UK: Taylor & Francis. 41–48. Citováno 2009-06-25.
  3. ^ A b Poynting, John Henry; Thomson, J. J. (1903). Učebnice fyziky: Zvuk (3. vyd.). London: Charles Griffin & Co. pp.115 –117. Kundtova trubicová rezonance.
  4. ^ Faber, T. E. (1995). Dynamika tekutin pro fyziky. UK: Cambridge University Press. str. 287. ISBN  0-521-42969-2.

Další čtení

  • Hortvet, J. (1902). Manuál základní praktické fyziky. Minneapolis: H.W. Wilson. Strana 119+.