Rubens Tube vlambuis

Rubens' buis, ook wel staande­golf­buis of vlambuis genoemd, is een natuurkundig experiment dat staande golven demonstreert. Het toont de relatie tussen geluidsgolven en luchtdruk.

Rubens' buis, ook wel staandegolfbuis of vlambuis genoemd, is een natuurkundig experiment dat staande golven demonstreert. Het toont de relatie tussen geluidsgolven en luchtdruk.

Afstand tussen de gaatjes: 2 cm, gatdiameter: 1,5 mm. Aantal gaatjes: 60 (mooi aantal, want 60 kun je delen door 2, 3, 4, 5, en 6). Pijplengte: 130 kopen, 8 cm onbruikbaar voor aansluiting speaker, rechts wordt ruimte ingenomen door een plug.

Voorbereidende vragen:

· Hoe planten geluidsgolven zich voort en wat is een staande golf?

· Wat is de relatie tussen golflengte, frequentie en geluidssnelheid?

· Wat is de relatie tussen druk en geluid?

· Waarom gaat en gas stromen?

· Hoe ziet een gasvlam er uit?

· Wat maakt dat een gasvlam uit kan gaan?

Achtergrondkennis voor docenten:

The theory behind the behavior of the Rubens' Tube starts off simply. Als je de gaskraan opent, wordt de buis gevuld met gas. De druk in de buis is slechts een klein beetje hoger dan de omgevingsdruk. Hierdoor komt het gas door de gaatjes naar buiten.

Zodra we de speaker aanzetten, ontstaan er drukgolven in de buis. De drukgolven verplaatsen zicht van speaker naar gasaansluiting. Daar weerkaatsen ze op het gesloten uiteinde en komen terug.

In de buis ontstaat nu interferentie van geluidsgolven. Met andere woorden: de golven gaan door elkaar en beïnvloeden elkaar. Drukgolfpieken en drukgolfdalen ontmoeten elkaar.

Daar waar je drukgolfpiek van de heengaande golf en een drukgolfdal elkaar ontmoeten, heffen ze elkaar op. De druk is hier gelijk aan P_T, de gasdruk. De plek waar dit gebeurt wordt hier een Nodes (N) genoemd.

Daar waar twee drukgolfpieken elkaar ontmoeten, versterken ze elkaar en ontstaat een nog veel grotere druk. Hier zal dus extra veel gas naar buiten stromen.

Daar waar twee drukgolfdalen elkaar ontmoeten, versterken ze elkaar en ontstaat een nog veel lagere druk. Deze druk kan zelfs lager worden dan de omgevingsdruk. Als dat zo is, zal er zelfs lucht naar binnen stromen, de pijp in.

De plekken waar drukpieken en drukdalen elkaar versterken, noemen we Anti-Nodes (AN).

De werkelijke druk in de buis vormt een optelsom van de golven van en naar de speaker. Deze optelsom heeft de vorm van een staande golf.

Op de AntiNodes krijg je dus versterking. Dat samenvallende drukpieken een extra grote vlam geven, is begrijpelijk.

Maar daar tegenover staan de samenvallende drukdalen die juist zouden moeten resulteren in een verkleinde vlam of zelfs in een naar binnen gaande vlam.

Wat hier precies gebeurt, ligt wetenschappelijk gezien nog niet 100% vast. Aangenomen wordt het volgende:

De gemiddelde druk in de pijp blijft constant op een waarde P_T.

Voor het berekenen van de gasstroom door een gaatje, gebruik je de wet van Bernoulli. Het resultaat van deze berekening is dat de gasstroom niet recht evenredig is met het drukverschil, maar met de wortel van het drukverschil, weergegeven door de blauwe lijn.

Nu wordt de situatie nog schimmiger. De blauwe lijn laat immers zien dat de drukpieken LAGER zijn dan de drukdalen. Dat zou betekenen dat de gasuitstroom op deze plekken gemiddeld genomen juist lager zou moeten zijn.

Maar, deze theorie valt gelukkig uit elkaar zodra we het geluidsknop ver genoeg open draaien. Als de amplitude van het geluid toeneemt, duikt de minimumdruk in de buis tot onder de omgevingsdruk.

Theorie en werkelijkheid komen niet met elkaar overeen. En omdat nog niet geen onomstotelijke aanvullende theorie is ontwikkeld, zullen we het moeten doen met een aanname.

Drukgolven in Rubens' tube met hoge Amplitude.

AANNAME:

Wanneer de druk het hoogst is, wordt een significante hoeveelheid gas door het gat uitgestoten.

Deze brandstof raakt de bestaande vlam, wordt ontstoken en veroorzaakt hitte waardoor de gassen verder opstijgen en de verbrandingsgassen verder van het gat worden verdreven.

Zodra de druk daalt tot beneden de omgevingsdruk, wordt gas naar binnen gezogen, de pijp in. Dit gas bestaat uit een mengsel van nog wel en niet verbrand aardgas + lucht. Een prima brandbaar mengsel dus dat even later door een drukpiek naar buiten wordt gespoten en tot ontbranding wordt gebracht door de vlam die daar nog niet geheel was gedoofd.

Als er teveel gas (lucht met verbrand gas) terugstroomt in de pijp, kan de vlam ook uitgaan.

Deze afbeelding laat de uitstroom van gas bij hoge geluidsamplitude zien ter plaatste van de Nodes en de Anti-Nodes.

Don't try this at home!!!

Bij deze proef ontstaat veel warmte en hoge vlammen.

Deze proef dient alleen te worden uitgevoerd in een veilige omgeving door volwassenen die zich bewust zijn van de risico's.