ルーベンスチューブ

ルーベンス管は、定在波炎管、または単に炎管とも呼ばれ、管内の音響定在波を実証するための物理学装置です。ドイツの物理学者ハインリッヒ・ルーベンスが 1905 年に発明したもので、原始的なオシロスコープのように、音波と音圧の関係をグラフィカルに示します。今日では、物理教育のデモンストレーションとして、たまにしか使用されません。

パイプの上部に穴が開けられ、両端が密閉されています。一方のシールは小型スピーカーまたは周波数発生器に取り付けられ、もう一方のシールは可燃性ガスの供給源（プロパンタンク）に取り付けられています。パイプにガスが満たされ、穴から漏れたガスに点火します。適切な一定周波数を使用すると、チューブ内に定在波が形成されます。スピーカーをオンにすると、定在波によって、チューブに沿って振動する（高い圧力と低い圧力）ポイントと一定の圧力を持つポイント（圧力ノード）が作成されます。音波による振動圧力がある場所では、チューブの穴から逃げるガスが少なくなり、そのポイントの炎は低くなります。圧力ノードでは、炎は高くなります。チューブの端ではガス分子の速度がゼロで振動圧力が最大になるため、弱い炎が観測されます。定規で測るだけで、炎の最小値と最大値から波長を判定できます。

時間平均圧力は管のすべての点で等しいため、炎の高さの違いを説明するのは簡単ではありません。炎の高さは図に示すようにガス流量に比例します。ベルヌーイの定常原理に基づくと、ガス流量は管の内側と外側の圧力差の平方根に比例します。これは定在音波のない管の図に示されています。この議論に基づくと、炎の高さは局所的な時間依存圧力に非線形に依存します。流量の時間平均は圧力が振動する点で減少し、したがって炎は低くなります。^[1]

ハインリヒ・ルーベンスは1865年に生まれたドイツの物理学者。ベルリン大学のマックス・プランクなどの著名な物理学者とともに量子物理学の基礎研究に取り組んだが、最もよく知られているのは1905年に発表された炎管である。このオリジナルのルーベンス管は長さ4メートルのパイプで、長さに沿って均等に間隔をあけて直径2mmの穴が約100個開いていた。^[2]

パイプの両端を密閉し、可燃性ガスを装置内に送り込むと、漏れたガスに点火して、ほぼ等サイズの炎の列を形成できる。片方の端から拡声器で音を出すと、管の長さに沿って内部圧力が変化する。音が定在波を生じる周波数であれば、一連の炎に波長が見えるようになり、圧力の節で炎が最も高くなり、圧力の腹で炎が最も低くなる。圧力の腹は、圧縮と希薄化が最も大きい場所に対応する。^[1]

最も長いルーベンスチューブのギネス記録は、2019年にサイエンスショーKvarkがサク・スーアホールに10メートルのルーベンスチューブを建設したときに達成されました。^[3]

ルーベンス管は1999年に閉館するまでイギリスのブリストルにあるエクスプロラトリーに展示されていた。炎の代わりにポリスチレンビーズを使用した同様の展示が2009年までアットブリストル^{科学センターで行われていた。 [4]}生徒たちは学校の科学展でルーベンス管の模型を作っている。

このディスプレイは多くの大学の物理学科でも見られます。^{[5]また、Rino Foundation [6]} (オランダ)、Fysikshow Aarhus (デンマーク)、Fizika Ekspres (クロアチア)、ÅA Physics show (フィンランド) など、多くの物理学ショーでもこのディスプレイが設置されています。^{[7] [8]}

怪しい伝説も2007年に「Voice Flame Extinguisher」のエピソードで実演した。^[9] デイリー・プラネットの「The Greatest Show Ever」^[10]では、カナダの科学センター5カ所が最高の科学センターの実験/展示を競うコンテストを行った。エドモントンの科学センター (Telus World of Science) はルーベンス管を使用し、コンテストで優勝した。この特別番組は2010年10月10日に撮影された。ナショナルジオグラフィック・チャンネルの番組「Street Genius」のティム・ショーも、エピソード18「Wave of fire」でルーベンス管を取り上げている。

アーティストのエマー・オブライエン氏は、2012年にロンドンのワッピング・プロジェクトで開催された展覧会「Return to Normal」で、ルーベンスのチューブを音響彫刻のベースとして使用した。^[11]

2Dルーベンス管はパイロボードとも呼ばれ、ブンゼンバーナーの平面で、2次元で音響定在波を再現できる。前身の1次元ルーベンス管と同様に、この定在波はさまざまな要因によって引き起こされる。流入するプロパンガスによって生じる圧力変化が音波の平面への入力を妨げ、炎の高さや色に変化が生じる。2Dルーベンス管は、デンマークの科学デモンストレーターグループFysikshowによって有名になった。^[12]

2Dルーベンス管は、さまざまなパーツで構成されています。主なパーツ自体は、プロパンガスを出力する長方形のスチールボックスです。パイロボードのプレーンには一般的にスチールが使用されています。これは、化合物が一般に膨大な量の熱に耐えることができ、構造を維持できるためです。スチールプレーンの上部に穴が開けられており、スチールボックスに継続的にゆっくりと送り込まれているプロパンガスが出力されます。^[13]完全なスチールボックスの代わりに、パイロボードのデザインによっては、上部のスチールプレーンを支えるために木製の側面が付いています。木製スタイルのパイロボードでは、ボックスの内部は通常、ボックス内のプロパンが漏れるのを防ぐ何らかの耐熱膜で覆われています。

スチール ボックスの側面にはスピーカーがあり、内部の媒体に音を入力します。パイロ ボード上部の穴からプロパン ガスが漏れる速度は、入力された音の強さに依存します。この関係は正比例しており、音の強さが増すと、プロパン ガスが漏れる速度も増加します。

スチール ボックス内の媒体は一定の体積に保たれているため、定在波を生成できます。定在波を生成できる周波数は、ボックスの物理的寸法と波の波長に大きく依存します。パイロ ボードのサイズはさまざまであるため、定在波を生成できる周波数はボードごとに異なります。

ウィキメディア・コモンズには、ルーベンス・チューブに関連するメディアがあります。

• ルーベンスのオリジナルデザインに関する情報（.doc 形式）
• ミュージカルファイヤーテーブル！YouTubeで