불꽃 정상파(루벤스 튜브)

- 루벤스 튜브에 장착되어 있는 스피커를 통해 음파에 따른 불꽃을 확인할 수 있다.
- 신호발생기 또는 스마트폰을 사용하여 자유롭게 음파를 출력할 수 있다.
- 음파와 공기압의 관계를 이해할 수 있다.
- 공명 주파수에 따른 정상파를 확인할 수 있다.







관 내에 음파가 진행할 때 양쪽 끝 사이를 오가며 관 내에서 여러 번 반사되게 된다. 음파가 반사되는 동안 서로 중첩현상이 나타나면서 일반적으로 관을 통과하는 소리는 작은 진폭의 소리가 측정 된다. 하지만 특정 위치에서는 반사된 모든 음파가 같은 위상을 가지고 있을 때 최대 진폭을 가지게 된다. 이러한 현상을 관의 공명이라고 부른다.

관의 공명이 나타나는 음파의 진동수를 공명 주파수라고 한다. 관의 공명에서 사용되는 관은 한쪽이 막힌 관(닫힌 관)과 양쪽 끝이 열린 관(열린 관)을 사용한다. 닫힌 관과 열린 관의 공명 조건은 다음과 같다




1905년 하인리히 루벤스(Heinrich Rubens)는 일정한 간격으로 구멍을 낸 파이프의 양끝에 각각 스피커와 가연성 가스장치를 장착하여 불꽃을 통해 파장을 관찰할 수 있음을 증명하였다. 이때 만든 튜브를 루벤스 튜브(Rubens tube)라고 부른다.

공명진동수의 소리를 출력하게 되면 정상파가 나타나게 된다. 정상파에서는 진동하지 않는 지점을 「마디(node)」, 두배 진폭으로 진동하는 지점을 「배(antinode)」라고 한다. 루벤스 튜브를 통해 정상파를 관찰하게 되면 압력이 높은 배 지점과 압력이 낮은 마디 지점에서는 각각 다른 높이의 불꽃을 관찰할 수 있다. 이러한 현상은 베르누이의 원리(Bernoulli's principle)에 의해 설명할 수 있다.

베르누이의 원리(Bernoulli's principle)란 이상 유체에 대하여 유체에 가해지는 일이 없는 경우 유체의 속도(v)와 압력(p), 위치에너지(ρgh) 사이의 관계를 나타낸다.



위 식을 바탕으로 파이프의 높이와 가스의 밀도가 일정한 루벤스 튜브에 대해 생각해보면 압력이 큰 점에서 속도는 감소하고 압력이 작은 점에서 속도가 커지는 것을 알 수 있다.

즉, 루벤스 튜브에 나타나는 정상파의 압력이 높은 배 지점에서는 낮은 불꽃, 압력이 낮은 마디 지점에서는 높은 불꽃을 관찰할 수 있다.



1. LPG, 부탄 또는 메탄 가스를 사용할 수 있습니다.
2. 루벤스 튜브의 가스 주입구와 제공된 가스 호스와 연결하고 다른 끝을 연소가스 통과 연결합니다. 가스가 지나는 모든 통로에 새는 곳이 있는 지 잘 확인해야 합니다.
3. 연소 가스의 압력이 낮을 때 좋은 실험 결과를 얻을 수 있습니다. 가스 압력은 분젠버너를 사용할 때와 비슷한 정도를 사용합니다.
4. 튜브를 자주 사용 할 경우 가스 출구를 작은 드릴로 뚫어서 침착된 탄화물을 제거합니다.



1. 300~500Hz의 주파수의 시그널을 사용하면 시각적인 효과가 가장 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.
2. 베이스가 강한 음악을 시그널 소스로 사용 하여 흥미로운 결과를 얻을 수도 있습니다. 이때 1~2W의 출력을 낼 수 있는 앰프를 통해 충분히 증폭을 해주어야 합니다.



1. 모든 안전 주의사항을 점검 합니다
2. 신호발생기를 정지시킵니다.
3. 가스의 압력을 아주 낮은 상태에서 루벤스 튜브의 불꽃구멍에 가스점화기를 이용하여 불을 붙입니다.
4. 불꽃의 높이가 약 5~10cm정도가 되도록 가스압력을 조절합니다.



루벤스 튜브와 연결된 스피커를 통해 음파를 발생시키고 음파가 생성하는 압력에 의해 불꽃의 높이가 달라집니다.
튜브 내에 정상파가 형성되면 가장 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 정상파는 스피커에서 발생하는 음파와 튜브 끝에서 반사되는 음파가 보강간섭을 할 때 생기는데 마디와 배가 고정된 위치에서 관찰할 수 있습니다.
신호발생기의 주파수를 조절하여 마디의 수가 3~4개 정도 관찰 할 수 있는 정도로 조절합니다. 음파의 속도는 정상파의 주파수와 마디의 간격을 측정하여 알 수 있습니다.
- 실험 진행 과정에서 보안경을 꼭 착용한다.
- 실험에 사용되는 가스는 저압의 연소 가스만 사용한다.
- 실험은 주변에 인화성 물질이 없는 개방된 공간에서 진행한다.
- 실험 장치의 과열을 방지하기 위해 15분 이상 연속으로 사용하지 않는다.
- 실험 중 화상을 입지 않도록 주의하며 실험 후 실험 장치를 충분히 식힌 후 보관한다.
- 실험 장치를 보관하기 전에 장치 내부에 많은 양의 공기를 통과시켜 잔류하는 연소 가스를 제거해야 한다.