Mit einem Rubensrohr lassen sich stehende Wellen sehr schön sichtbar machen. Ein Rohr wird mit einer Gasflasche verbunden. Ein Rohrende ist komplett verschlossen, am anderen Ende wird ein Lautsprecher luftdicht angeschlossen. Entlang des Rohres befinden sich sehr kleine Öffnungen in regelmäßigen Abständen. Das durch das Rohr und die Öffnungen strömende Gas wird entzündet. Steuert man nun den Lautsprecher mit einem Ton bestimmter Frequenz f an, so bildet sich im Inneren des Rohrs eine stehende Welle aus. An den Druckmaxima strömt das Gas stärker durch die Öffnungen und die Flammen außerhalb sind an diesen Stellen größer/länger. An den Druckminima sind dann die Flammen entsprechend kleiner.

Hier noch die Simulation einer stehenden Wellen, welche durch Überlagerung zweier in entgegengesetzte Richtungen sich ausbreitender Wellen zustande kommt:

Die Bauteile für mein Rubensrohr habe ich alle im Baumarkt besorgt. Dazu zählt zum Beispiel das 100 mm Ofenrohr mit 1 m Länge, die Gasflasche, das Gasventil und die PVC-Schläuche.

Die entsprechenden Messingadapter habe ich online bestellt:

Den Verstärker (100W) und den Lautsprecher fand ich zum Glück im Elektronikladen vor Ort https://www.neuhold-elektronik.at/catshop/.

Die beiden Rohrdeckel (einen mit Öffnung für den Lautsprecher) werde ich mir bei einem guten Freund wieder 3d-drucken lassen.

Mit einer Smartphone-App als Funktionsgenerator hat die Ansteuerung des Lautsprechers leider nicht funktioniert, die Spannungsamplitude im Bereich von 20 mV war für den Verstärker nicht ausreichend und der Ton dann dementsprechend leise.

Mit meinem billigen Funktionsgenerator hat es dann aber geklappt.

Die 3D-Druckteile und die Messingteile sind mittlerweile auch schon eingetroffen:

Die jetzt noch vorhandene Lücke zwischen 3D-Druckteil und Rohr werde ich mit Moosgummi auffüllen und vermutlich zusätzlich dann noch von außen alles gasdicht verkleben.

Das Gaskartuschenventil ist angekommen und so konnte ich den Messingadapter mit der 9 mm Schlauchtülle gleich anschrauben:

Inzwischen habe ich den Aufbau soweit fertiggestellt. Da ich keine Erfahrungen habe, welche Gasmenge die Dose maximal nachliefern kann, habe ich mich einmal für Löcher im Abstand von 4 cm entschieden und diese auch nur 1.5 mm groß aufgebohrt. Ich dachte mir, größer kannst du die Löcher immer noch machen und eventuell auch noch weitere hinzufügen. Umgekehrt geht es schwieriger 😉

Eine einzelne Lage Moosgummi reichte wunderbar aus und die Deckel ließen sich einigermaßen schwer ins Rohr schieben…

Jetzt kann ich eigentlich einen ersten Versuch wagen.

Gesagt, getan und meine Küche wurde wieder kurzerhand in ein Experimentierlabor umgewandelt. Bei der Verwendung von Gas bin ich besonders vorsichtig, denn ich möchte nicht unbedingt eine (von mir auch noch verschuldete) Gasexplosion miterleben.

Die schönen Bilder täuschen aber ein wenig über die Schwierigkeiten bei diesem Experiment hinweg. So ist es gar nicht so einfach, die richtige Lautstärke zu finden. Denn ist diese zu hoch, so wird das Gas besonders im Resonanzfall sehr stark aus allen Löchern gepustet. Bei zu geringer Lautstärke erlischen dann wiederum zu viele Flammen. Bei 400 Hz ergibt sich ein recht schönes Wellenmuster mit deutlich unterschiedlichen Flammenhöhen (siehe Bilder oben). Bei dieser Frequenz messe ich einen Abstand von ca. 8.5 Löchern zwischen zwei benachbarten Schwingungsknoten. Eine halbe Wellenlänge macht daher also 8.5 · 4 = 34 cm aus bzw. eine ganze Wellenlänge λ = 68 cm. Demnach beträgt die Schallgeschwindigkeit im Inneren des Ofenrohrs c = 0.68 · 400 = 272 m/s.

Dieser Wert ist deutlich geringer als jener für Luft (ca. 340 m/s). Dies liegt daran, dass wir eben keine reine Luft mehr im Inneren haben, sondern eine Mischung aus Luft, Butan und Propan (die Gaskartusche beinhaltet 70% Butan und 30% Propan).

Bei einer Frequenz von 277 Hz erhielt ich folgendes Ergebnis:

Bei dieser Frequenz betrug der Abstand zweier benachbarter Knoten 12 Löcherabstände a 4 cm, also 48 cm. Für die Wellenlänge galt also in diesem Fall λ = 96 cm.

Zum Schluss noch das Flammenbild bei f = 624 Hz:

Für die halbe Wellenlänge maß ich jetzt eine Strecke von 5 · 4 = 20 cm.

Aus diesen Messungen kann ich dann mittels der Wellengleichung c = λ · f die Schallgeschwindigkeit im Inneren des Ofenrohrs ermitteln:

Ich komme auf Werte zwischen 250 m/s und 272 m/s. Wenn sich die resultierende Schallgeschwindigkeit aus den Einzelschallgeschwindigkeiten bei entsprechender prozentualer Gewichtung ergibt, so könnten meine Ergebnisse durchaus stimmen…

Das Youtube-Video reiche ich wie immer nach.