FYSIKbasen.dk - Den danske database for pædagogiske undervisningsforsøg til fysiklærere
Forside Nyheder Forsøg Om siden Kontakt English
Gå en side tilbageUdskriv dette forsøgForetag ny søgning

rød pilRubens flammerør

Forsøg nr.: 6
Formål: At demonstrere at lyd består af trykbølger.
Resume: Et metalrør fyldes med gas, der siver ud langs en række små huller. Gassen antændes, og via en højttaler laves stående bølger i røret.
Nøgleord: Bølger, longitudinale bølger, lyd, stående bølger, svingninger.

Beskrivelse:

I et metalrør bores en lang række små huller.

Billede af huller i flammerør
Metalrør med lang række af borede huller.

Røret lukkes i den ene ende af en gummimembran og i den anden ende af en prop, igennem hvilken man kan lukke gas ind i røret.

En gasflaske forbindes til røret. Der lukkes op for gassen, som vil strømme ind i røret og ud af de mange små huller. Med en lighter eller tændstik antændes gassen, så en flamme brænder over hvert hul.

En højttaler forbindes til en frekvensgenerator, og en ren tone sendes ind mod rørets gummimembran. Lyden kommer dermed ind i røret, hvor det skaber en stående bølge. Denne stående bølge kan direkte ses som forskelle i højden på de forskellige flammer.

Diagram over Rubens flammerør
Diagram over Rubens flammerør.

Det kan være ganske svært at få lavet en ordentlig stående bølge, så flammerne danner et tydeligt mønster. Man kan forsøge sig frem med at variere på gastryk, lydstyrke og frekvens.

Forsøget skal selvfølgelig også udføres, hvor frekvensgeneratoren udskiftes med en CD afspiller plus forstærker. Dermed kan man sende musik ind i røret og se flammerne danse i takt til trommer og bas.

Billede af Rubens flammerør i brug
Billede af Rubens flammerør i brug.

På det ovenstående billede er gummimembranen lavet af en almindelig ballon, som sættes over rørets ene ende. Der er desuden lavet en tragt, som fører lyden fra højttaleren og hen til membranen.

Billede af Rubens flammerør
Billede af Rubens flammerør.

I mange beskrivelser af dette forsøg i litteraturen er højttaleren placeret direkte på røret med en eller anden form for gastæt pakning (eventuelt plastik og tape). Dermed kan man lave et mere kompakt rør samt undgå at skulle bygge en tragt.

Rubens flammerør i brug
Flammerøret i brug.

I nedenstående referencer har man bygget flammerøret på mange forskellige måder. Her er nogle eksempler på, hvilke dimensioner folk har brugt til deres flammerør:

Længde Diameter Type Hulantal Hulstørrelse Hulafstand
4,0 m 8 cm messingrør 100 2 mm 3 cm
3,0 m 7,5 x 7,5 cm luftpudebænk - - -
1,8 m 7,5 cm galv. nedløbsrør - 1,6 mm 3,8 cm
1,0 m 9 cm jernrør 67 1,4 mm -
2,4 m 10 cm galv. nedløbsrør 59 1,4 mm 3,8 cm

Rubens flammerør har navn efter H. Rubens, der publicerede forsøget i Annalen der Physik i 1905 (for øvrigt lige efter en af Einsteins berømte 1905-artikel om den fotoelektriske effekt!).

I 1975 præsenterede en amerikansk fysiklærer flammerøret bygget ud af en almindelig luftpudebænk. Som han bemærkede, så bliver dette forsøg sjældent udført, da det kræver meget specielt udstyr. I virkeligheden har man dog blot brug for et vilkårligt rør med små, jævnt fordelte huller, præcist som man finder det i en luftpudebænk. Man kan eventuelt lukke alle hulrækker - bortset fra en enkelt - med tape.

Umiddelbart tænker man måske, at der hvor den stående bølge har knudepunkter, vil flammerne være mindst. Desværre er mekanismen ikke helt så simpel. Som diskuteret i nedenstående referencer, så kan man faktisk opnå begge situationer ved at variere gastryk og lydstyrke!

For en fast lydstyrke vil flammerne typisk være højest ved den stående bølges bug (altså trykknudepunkterne - se referencen om "Knude og bug i stående bølger"). Hvis gastrykket reduceres vil flammerne ved knudepunkterne være de højeste. For et fast gastryk resulterer en høj lydstyrke i høje flammer ved knudepunkterne og omvendt ved lave lydstyrker.

Ficken og Stephenson viser i deres artikel, at gasstrømmen ud af et hul går som:

Ligning
Sammenhæng mellem gasstrøm, gastryk og lydtryk for en given lydfrekvens omega.

Det vil altså sige, at for lave gastryk og store lydstyrker, kan man opleve, at der ved et hul suges luft ind.

Faresymbol Røret kan blive meget varmt, og hvis alle hullerne ikke er tændt, kan man lukke en del uafbrændt gas ud i lokalet. Sørg for at lufte godt ud.

Flammerøret demonstreres på en scene af Fysikshowet under Århus Festuge
Flammerøret demonstreres på en scene af Fysikshowet under Århus Festuge.

Spørgsmål og svar:

Hvad gør jeg, hvis membranen smelter?

Du bruger nok et rør af et materiale, som leder varmen alt for godt. Kobber er meget dårligt, da det leder varmen rigtig godt. Aluminiums varmeledningskoefficient er kun 60 procent af kobbers, og derfor noget bedre. Jerns er dog kun 20 procent af kobbers, og dermed meget bedre. Endelig er rustfrit ståls varmeledningskoefficient kun få procent af kobbers. Dog er det betydeligt sværere at bore huller i rustfrit stål, som er et meget hårdt metal. Man skal for øvrigt også sørge for, at de små gashuller ikke sidder helt henne ved gummimembranen.

Hvorfor virker forsøget ikke?

Det kan være meget svært at finde de helt rigtige indstillinger. Prøv at variere gastryk, lydstyrke og lydens frekvens. Det er muligt, at du skal forbedre højttalerens placering i forhold til gummimembranen. Prøv eventuelt at lave en tragt, der fører lyden hen til membranen, og skru meget op for lyden.

Er der ikke en risiko for, at gassen danner knaldgas inde i røret?

Nej, heldigvis ikke. Knaldgas består af en blanding af brint og ilt. Brint er langt mere eksplosivt end butan- eller propangas, der typisk anvendes til gasbrændere. Laver man for eksempel forsøg nr. 20 (Eksploderende brintdåse) med butangas, vil dåsen ikke eksplodere.

Udstyr og materialer:

grøn pil Gasbrænder
grøn pil Højttaler
grøn pil Frekvensgenerator
grøn pil Metalrør med huller
grøn pil Gummiprop med hul

Referencer:

grøn pilH. Rubens und O. Krigar-Menzel: "Flammenröhre für akustishe Beobachtungen", Ann. Phys., Lpz. 17, 149 (1905).
grøn pilR. Coleman: "The flaming air track", The Physics Teacher 13, 556 (1975). (http://scitation.aip.org/tpt/)
grøn pilG.W. Ficken and F.C. Stephenson: "Rubens flame-tube demonstration", The Physics Teacher 17, 306 (1979). (http://scitation.aip.org/tpt/)
grøn pilG. Spagna: "Rubens flame tube demonstration: A closer look at the flames", Am. J. Phys. 51, 848 (1983).
grøn pilG. Spagna: "Erratum: "Rubens flame tube demonstration: A closer look at the flames"", Am. J. Phys. 52, 84 (1984).
grøn pilD. Jihui and C.T.P. Wang: "Demonstration of longitudinal standing waves in a pipe revisited", Am. J. Phys. 53, 1110 (1985).
grøn pilG. Ficken and F. Stephenson: "Comment on the Rubens flame tube", Am. J. Phys. 54, 297 (1986).
grøn pilH.A. Daw: "A two-dimensional flame table", Am. J. Phys. 55, 733 (1987).
grøn pilKnude og bug i stående bølger.
grøn pilStående bølger som Java applet.
grøn pilLink til forsøg i database på University of Maryland.
grøn pilT.D. Rossing: "Average pressure in standing waves", The Physics Teacher 15, 260 (1977). (Godt, kort overblik over fysikken bag flammehøjden.) (http://scitation.aip.org/tpt)
grøn pilEnglish translation of this page.

PIRA DCS: 3D30.50 (Svingninger og bølger: Instrumenter) Hvad er PIRA DCS?

Opdateret: 20.09.2007