Tubo de Rubens

El tubo de Rubens , también conocido como tubo de llama de onda estacionaria o simplemente tubo de llama , es un aparato físico para demostrar las ondas acústicas estacionarias en un tubo. Inventado por el físico alemán Heinrich Rubens en 1905, muestra gráficamente la relación entre las ondas sonoras y la presión sonora , funcionando como un osciloscopio primitivo . Hoy en día, se utiliza solo ocasionalmente, generalmente como demostración en la enseñanza de la física.

Un trozo de tubo se perfora en la parte superior y se sella en ambos extremos: un sello se conecta a un pequeño altavoz o generador de frecuencia, y 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 por las perforaciones. Si se utiliza una frecuencia constante adecuada, se puede formar una onda estacionaria dentro del tubo. Al encender el altavoz, la onda estacionaria crea puntos con presión oscilante (mayor y menor) y puntos con presión constante (nodos de presión) a lo largo del tubo. Donde hay presión oscilante debido a las ondas sonoras, escapa menos gas por las perforaciones del tubo y las llamas son más bajas en esos puntos. En los antinodos de presión, las llamas son más altas. Al final del tubo, la velocidad de las moléculas de gas es cero y la presión oscilante es máxima, por lo que se observan llamas altas. Es posible determinar la longitud de onda a partir del mínimo y el máximo de la llama simplemente midiendo con una regla.

Dado que la presión promedio 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. Basándonos en este argumento, la altura de la llama depende de forma no lineal de la presión local, que varía con el 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 colaboró ​​con físicos más conocidos como Max Planck en la Universidad de Berlín en algunos de los fundamentos 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 cuatro metros de longitud con aproximadamente 100 orificios de 2 mm de diámetro espaciados uniformemente a lo largo de su longitud. ^{[ 2 ]}

Cuando se sellan los extremos del tubo y se bombea un gas inflamable al dispositivo, el gas que escapa puede encenderse para formar una hilera de llamas de tamaño aproximadamente igual. Al aplicar sonido 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, con las llamas más altas en los antinodos de presión y las más bajas en los nodos de presión. Los antinodos de presión corresponden a las ubicaciones con mayor 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 expuesto en The Exploratory en Bristol, Inglaterra , hasta su cierre en 1999. Una exposición similar, que utilizaba cuentas de poliestireno en lugar de llamas, se presentó en el centro de ciencias At-Bristol hasta 2009. ^{[ 4 ]} Los estudiantes hacen maquetas del tubo de Rubens en la exposición científica de su escuela.

Esta exhibición también se encuentra en los departamentos de física de varias universidades. ^{[ 5 ]} Varias ferias de física también la tienen, 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 "Extintor de llamas por voz" en 2007. ^{[ 9 ]} El programa The Greatest Show Ever del Daily Planet , ^{[ 10 ]} realizó una competencia en la que cinco centros de ciencias canadienses compitieron por el mejor experimento/exhibición de un centro de ciencias. El Centro de Ciencias 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 del 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 ]}

• Información sobre el diseño original de Rubens en formato .doc
• ¡Mesa de fuego musical! en YouTube