Rubensova trubice
8. 4. 2011
Spojení zvuku a ohně. Rubensova trubice zobrazuje akustický tlak pomocí plamínků hořícího plynu. Plyn uniká z řady drobných otvorů vyvrtaných podél trubice. Na jednom konci je trubice uzavřena, na druhém je laditelný zdroj vlnění. Dá-li se Michael do řeči, velikost plaménků v trubici se mění, takže jeho hlas můžeme nejen slyšet, ale i vidět. Jak je to možné?
Tereza: To je fascinující čtení, tady to.
Michael: Přišel za mnou jeden Řek a ten mi řek´, abych mu řek´, kolik je v Řecku řeckých řek. A já mu řek´, že nejsem Řek, abych mu řek´…
Tereza: Posloucháš mě, prosím tě?
Michael: Tři sta třicet tři stříbrných stříkaček stříkalo přes … Samozřejmě, že tě poslouchám.
Tereza: Já tady čtu o roce 1905, jaký to byl neuvěřitelný rok pro fyziku. Co všechno se stalo!
Michael: No ten byl opravdu vynikající. Já si dobře pamatuji, že v tom roce Einstein publikoval své slavné práce o speciální teorii relativity a o fotoelektrickém jevu.
Tereza: A představ si, že v tomhle roce bylo také vynalezeno také toto.
Michael: Toto?
Tereza: Toto!
Michael: To je Rubensova trubice, která dostala jméno po tomto člověku.
Tereza: Ale Heinrich Rubens! … Krásné. Mám na mysli tu trubku. Heinrich není můj typ.
Michael: Určitě vám ukážeme, jak si něco takového udělat sami doma. Ovšem nejprve bych vám chtěl povědět něco o Rubensovi a především o jeho vědeckém učiteli a šéfovi – Augustu Kundtovi.
Filip: Tady jsou naši dva hrdinové. Mladší je Heinrich Rubens. Nejprve studoval elektrotechniku. Pak ho přitáhl základní výzkum ve fyzice. A udělal si doktorát u toho druhého – u Augusta Kundta. Také on ve svém mládí změnil obor. Začal jako astronom, pak jej zlákala chemie a fyzika. Tento svérázný myslitel se věnoval především zvuku a světlu.
Tereza: Zatímco já jsem se rozhodl, že si konečně dodělám doktorát, tady profesor už se proslavil. Tímhle …
Filip: Kundt vynalezl svou trubici roku 1866. V témže roce bylo dokončeno pokládání transatlantického kabelu, a tak se mohly posílat telegramy mezi Evropou a Spojenými státy. Ve stejném roce byla podepsána Pražská dohoda, která ukončila prusko-rakouskou válku. A v témže roce Alfréd Nobel vynalezl dynamit.
Filip: Arch průhledné fólie nahrazuje sklo, z něhož měl svou trubici August Kundt. A pouštíme se do jejího zhotovení. Na jeden konec nasadíme plastovou redukci k odpadnímu potrubí. Její širší volné ústí zakryjeme blánou z gumové rukavice. Stejně tak druhý konec trubice.
Tereza: Právě jsme si vyrobili experimentální akustické zařízení a teď se podíváme, jak a jestli funguje.
Filip: Jako nejvhodnější pro zviditelnění zvuku v trubici se ukázala zrníčka krupice, a to v tenké vrstvičce. Pomocí generátoru zvuku, zesilovače a reproduktoru rozechvějeme přes blánu vzduch v trubici.
Michael: Toto zesílení zvuku znamená, že trubice rezonuje. Její délka je tedy násobkem vlnové délky zvukové vlny.
Tereza: Při rezonanci mají zvukové vlny uvnitř trubice podobu stojatého vlnění. V určitých místech, kterým říkáme uzly, má toto vlnění vzduchu rozkmit neboli amplitudu nulovou.
Filip: Tato metoda umožnila zjistit rychlost zvuku ve vzduchu.
Michael: By filling the tube with other gases besides air, and by partially evacuating it, I was able to measure the speed of sound through gases other than air at the different pressures.
Když jsem trubici naplnil jinými plyny než je vzduch a částečně v ní snížil tlak, mohl jsem změřit rychlost zvuku v těchto plynech za rozdílných tlaků.
Filip: Vědci brzy zjistili rychlost zvuku v mnoha pevných a kapalných látkách. To bylo klíčové například pro vývoj sonaru pro ponorky při plavbě pod vodou nebo při pátrání po potopených lodích a ztroskotaných letadlech. Tyto Kundtovy práce se zvukem inspirovaly Heinricha Rubense k vytvoření zajímavé verze Kundtovy trubice.
Filip: A my si teď takovou Rubensovu trubici vyrobíme. Změnili jsme se na chvíli na instalatéry. Na kovové, třeba mosazné trubce, jsme si vyznačili řadu bodů, vzdálených od sebe – ano – dva centimetry.
Michael: Safety first.
Bezpečnost především.
Filip: Otvůrky budou opravdu nepatrné. Náš vrták má průměr jediného milimetru. Naše instalatérské práce pokračují použitím teflonového těsnění. Pozor! Musíme zajistit, aby plyn z tohoto budoucího hořáku nikde na spojích neunikal. Pomocí spojky ve tvaru T propojíme dvě stejné trubky s otvůrky. Ty vytvoří řadu po celé délce. Jeden konec potrubí – tedy hořáku – zaslepíme. Z boku našroubujeme redukci s těsnicí spojkou pro přívod plynu. Na druhý konec hořáku našroubujeme přes kovový závit – to aby odolal vyšší teplotě hořáku – známou plastovou redukci k odpadnímu potrubí. Pozor na dostatečně teflonové těsnění! Také sem z gumové rukavice připravíme a dobře přilepíme pružnou membránu. Na vlastní kůži testujeme, že i nepatrné vibrace gumové membrány rozhýbou vzduch uvnitř hořáku. Dokonce sfoukne plamen na špejli. Náš poněkud těžší hořák řádně upevňujeme ke stojanům.
Tereza: Dneska pro vás máme opravdu bombu.
Michael: Propan – butan.
Michael: Rubens´ idea was to replace the fine powder in Kundt’s tube with tiny flames along the tube. And this was the result – the Rubens’tube.
Rubensovou myšlenkou bylo nahradit jemný prášek v Kundtově trubici malými plaménky po délce trubice. A toto byl výsledek – Rubensova trubice.
Filip: Na řadu opět přichází generátor zvuku se zesilovačem a reproduktor. Sledujte, jak plaménky reagují na výšku tónu, tedy na frekvenci kmitání gumové membrány, kterou jsme umístili na konci hořáku. A co takhle trošku hudby?
Tereza: Zvuk můžeme nejen slyšet, ale i – vidět.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough