Kundti toru

Kundti toru on akustiline seade, mille leiutas 1866. aastal saksa füüsik August Kundt gaasi või tahke varda helikiiruse mõõtmiseks. Antud katset viiakse tänapäeval läbi näitamaks muidu mittenähtavaid gaasis levivaid pikilained. Kundti toru kasutatakse tänapäeval peamiselt seisulainete ja akustiliste jõudude demonstreerimiseks. Kundti toru on läbipaistev ja paikneb horisontaalselt. Seejuures sisaldab ta väikeses koguses peeneteralist pulbrit, milleks võib olla näiteks korgitolm või talk. Toru ühte otsa on paigutatud heliallikas, mis tekitab kindla sagedusega heli (puhastooni). Kundt kasutas heliallikaks metallvarrast, mille ta ergastas hõõrumise teel. Tänapäeval kasutatakse heli tekitamiseks tavaliselt signaaligeneraatorit ja valjuhääldit. Toru teises otsas paikneb liikuv kolb, mille abil saab toru sisemist pikkust muuta. Helitekitaja lülitatakse sisse ja kolvi asukohta liigutatakse, kuni torust kostev heli muutub järsku oluliselt valjemaks. See viitab, et toru sisese võnkumise resonantsile. Resonantsi korral on helilainete torus levimise teepikkus toru ühest otsast teise ja tagasi võrdne levivate helilainete lainepikkuse λ kordse arvuga. Torus olevad helilained on seisulained ja torus oleva gaasi osakeste võnkumiste amplituudides leidub võrdse vahega punkte, kus nende siire on võrdne nulliga (sõlmpunktid). Liikuv gaasist haarab pulbri osakesi kaasa ja seetõttu jääb pulber paigale sõlmpunktides ja koguneb sinna väikestesse kuhjadesse või joontele. Sõlmpunktide vaheline kaugus on võrdeline poolega lainepikkust λ/2. Seetõttu saab sõlmpunktide vahelise kauguse mõõtmisega leida torus olevas gaasis leviva helilaine lainepikkuse λ. Teades heli sagedust f ja lainepikkust λ saab helikiiruse c toru siseses gaasis leida korrutisega: c = λ f {\displaystyle c=\lambda f\,} Pulbri liikumine on tingitud nähtusest, mida nimetatakse akustiliseks voolamiseks ja seda põhjustab helilaine interaktsioon toru pinna läheduses oleva gaasi piirikihiga. Täites toru õhust erineva gaasiga ja tühjendades selle osaliselt vaakumpumbaga, arvutas Kundt ka helikiiruseid erinevates gaasides muutuva rõhu korral. Sellele lisaks sai Kundt mõõta helikiirust metallvarrastes. Helilainete tekitamiseks pani Kundt toru otsa korgi, mille keskmesse oli kinnitatud torusse eenduv metallvarras. Varrast pikuti kampoliga kaetud nahatükiga hõõrudes hakkab varras pikisuunas oma põhisagedusel võnkuma, tekitades kõrge sagedusega heli. Teades heli kiirust õhus sai Kundt arvutada helikiiruse resonaatorvarda metallis. Varda pikkus L võrdub poolega metalli tekitatud heli lainepikkusest ja torus olevate pulbri hunnikute vaheline kaugus d on võrdeline poole lainepikkusega torus oleva õhus. Seetõttu on nende kahe suhe võrdne kahe materjali helikiiruste suhtega: c metal c air = f λ metal f λ air = λ metal λ air = L d {\displaystyle {\frac {c_{\text{metal}}}{c_{\text{air}}}}={\frac {f\lambda _{\text{metal}}}{f\lambda _{\text{air}}}}={\frac {\lambda _{\text{metal}}}{\lambda _{\text{air}}}}={\frac {L}{d}}\,} Enne Kundti oli kasutusel väiksema täpsusega meetod torus lainepikkuse määramiseks, milles mõõdeti toru pikkust tema resonantsil. Selle meetodi probleemiks oli toru õhus tekitab heliallikas heli, ei ole selle pikkus resonantsi korral täpselt võrdne tema poollaine pikkusega. Kuna toru heliallika poolses otsas, kõlari membraani kõrval ei seisa õhu osakesed paigal, ei ole seal tegemist seisulaine sõlmega. Sel juhul asub sõlmpunkt toru otsast kaugemal. Kundti meetod võimaldas sõlmede tegelikke asukohti määrata palju suurema täpsusega. Chladni plaadid, omavõnkemoodide visualiseerimise tehnika plaatidel. Rubensi toru demonstreerib seisulainete ja helirõhu vahelist suhet. Kundt, A. (1866). "Ueber eine neue Art Akustischer Staubfiguren und über die Anwendung derselben zur Bestimmung der Shallgeschwindigkeit in festen Körpern und Gasen". Annalen der Physik (saksa). Leipzig: J. C. Poggendorff. 127 (4): 497–523. Bibcode:1866AnP...203..497K. DOI:10.1002/andp.18662030402. Vaadatud 25. juunil 2009. Kundt, August (January–June 1868). "Acoustic Experiments". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. Vol. 35 no. 4. UK: Taylor & Francis. pp. 41–48. Retrieved 2009-06-25. Poynting, John Henry; Thomson, J. J. (1903). A Textbook of Physics: Sound (3rd ed.). London: Charles Griffin & Co. Lk 115–117. Kundt's tube resonance. Faber, T. E. (1995). Fluid Dynamics for Physicists. UK: Cambridge University Press. Lk 287. ISBN 0-521-42969-2. Hortvet, J. (1902). A manual of elementary practical physics. Minneapolis: H.W. Wilson. Alates lk 119.