Kundts tub

Ritning från Kundts originalpapper från 1866 i Annalen der Physik , som visar Kundts rörapparat (fig.6 & 7, överst) och pudermönstren som skapats av den (fig.1, 2, 3, 4) .

Kundts rör är en experimentell akustisk apparat som uppfanns 1866 av den tyske fysikern August Kundt för mätning av ljudets hastighet i en gas eller en solid stång. Experimentet lärs ut än idag på grund av dess förmåga att demonstrera longitudinella vågor i en gas (vilket ofta kan vara svårt att visualisera). Den används idag endast för att demonstrera stående vågor och akustiska krafter.

Hur det fungerar

Röret är ett genomskinligt horisontellt rör som innehåller en liten mängd av ett fint pulver som korkdamm , talk eller lycopodium . I ena änden av röret finns en ljudkälla med en enda frekvens (en ren ton) . Kundt använde en metallstavsresonator genom att gnugga den, men moderna demonstrationer brukar använda en högtalare kopplad till en signalgenerator som producerar en sinusvåg . Den andra änden av röret blockeras av en rörlig kolv som kan användas för att justera längden på röret.

Ljudgeneratorn sätts på och kolven justeras tills ljudet från röret plötsligt blir mycket högre. Detta indikerar att röret är i resonans . Detta betyder att längden på ljudvågornas tur och retur, från ena änden av röret till den andra och tillbaka igen, är en multipel av ljudvågornas våglängd λ . Därför är rörets längd en multipel av en halv våglängd. Vid denna tidpunkt är ljudvågorna i röret i form av stående vågor , och amplituden av luftvibrationer är noll med lika mellanrum längs röret, kallade noderna . Pulvret fångas upp i den rörliga luften och lägger sig i små högar eller linjer vid dessa noder, eftersom luften är stilla och tyst där. Avståndet mellan pålarna är en halv våglängd λ /2 av ljudet. Genom att mäta avståndet mellan pålarna kan våglängden λ för ljudet i luft hittas. Om ljudets frekvens f är känd, multipliceras den med våglängden ger ljudets hastighet c i luften:

$c=\lambda f\,$

Pulvrets detaljerade rörelse beror faktiskt på en effekt som kallas akustisk strömning som orsakas av ljudvågens interaktion med gränsskiktet av luft vid ytan av röret.

Ytterligare experiment

Genom att fylla röret med andra gaser förutom luft, och delvis evakuera det med en vakuumpump, kunde Kundt även beräkna ljudhastigheten i olika gaser vid olika tryck. För att skapa sina vibrationer stoppade Kundt den andra änden av röret med en löst sittande propp fäst vid änden av en metallstång som sticker ut i röret, fastklämd i mitten. När den gnuggades på längden med en bit läder belagd med kolofonium , vibrerade staven i längdriktningen med sin grundfrekvens , vilket gav en hög ton. När ljudhastigheten i luften väl var känd, gjorde det det möjligt för Kundt att beräkna ljudhastigheten i resonatorstavens metall. Längden på staven L var lika med en halv våglängd av ljudet i metall, och avståndet mellan högarna av pulver d var lika med en halv våglängd av ljudet i luft. Så förhållandet mellan de två var lika med förhållandet mellan ljudhastigheten i de två materialen:

${\frac {c_{\text{metall}}}{c_{\text{luft}}}}={\frac {f\lambda _{\text{metall}}}{f\lambda _{\text{air}}}}={\frac {\lambda _{\text{metall}}}{\lambda _{\text {air}}}}={\frac {L}{d}}\,$

Anledning till noggrannhet

En modern version av Kundts rörexperiment, som användes i en fysikklass vid sydamerikanska universitet. Istället för ett genomskinligt rör med pulver i för att avslöja noderna, använder detta mikrofoner monterade i röret. Kolven (höger mitt) flyttas fram och tillbaka. När mikrofonens position är vid noder går ljudtrycket till noll. Ljudeffekten från mikrofonerna spelas in på sjökortsskrivaren (mitten bak) .

En mindre exakt metod för att bestämma våglängd med ett rör, som användes före Kundt, är helt enkelt att mäta rörets längd vid resonans, vilket är ungefär lika med en multipel av en halv våglängd. Problemet med denna metod är att när ett luftrör drivs av en ljudkälla är dess längd vid resonans inte exakt lika med en multipel av halvvåglängden. Eftersom luften vid källänden av röret, bredvid högtalarens membran, vibrerar, är den inte exakt vid en nod (punkt med noll amplitud) av den stående vågen. Noden uppstår faktiskt en bit bortom änden av röret. Kundts metod gjorde att de faktiska placeringarna av noderna kunde bestämmas med stor noggrannhet.

Se även

• Chladni-plattor , en annan teknik för visualisering av stående vågor.
• Rubens rör , demonstrerar sambandet mellan stående ljudvågor och ljudtryck.

Vidare läsning

• Hortvet, J. (1902). En handbok för elementär praktisk fysik. Minneapolis: HW Wilson. Sida 119+ .