tùbo (fisica)

Tubi sonori

I tubi sonori possono essere chiusi a entrambe le estremità o chiusi a una estremità e aperti all'altra. A ciascun caso corrisponde un diverso comportamento acustico: se il tubo è chiuso a entrambe le estremità con una superficie ben riflettente e la formazione di onde sonore stazionarie è dovuta a un generatore sonoro intermedio, le superfici terminali sono piani nodali per la velocità di spostamento, ossia detta velocità è nulla, mentre sono piani verticali per la pressione sonora, ossia detta pressione è massima. Si creano onde sonore stazionarie per tutte le frequenze f definite dalla relazione f=n c/2e, dove c è la velocità del suono in quel mezzo, e è la lunghezza del tubo, n è un numero intero qualunque. Il tubo costituisce un risonatore, le cui frequenze di risonanza sono definite dalla relazione precedente; la frequenza fondamentale f=c/2l è corrispondente a n=1. Se il tubo è aperto a entrambe le estremità ed è eccitato in un punto intermedio, in prima approssimazione le superfici terminali sono piani ventrali per la velocità di spostamento, piani nodali per le pressioni sonore. Si creano onde sonore stazionarie alle frequenze definite dalla stessa relazione del caso precedente. Il tubo è un risonatore la cui frequenza fondamentale è f=c/2l. Un esame più preciso porta al risultato che il tubo si comporta agli effetti delle onde stazionarie come se la sua lunghezza fosse lievemente maggiore di quella reale (correzione di bocca); la correzione è ca. Δl=0,6r, essendo r il raggio del tubo. Nella relazione precedente l va quindi sostituito con l´=l+0,6r. Se il tubo è aperto a un'estremità e chiuso all'altra, il piano corrispondente all'estremità aperta è un piano ventrale per la velocità di spostamento, mentre il piano opposto è un piano nodale; per le pressioni sonore il piano corrispondente alla estremità aperta è un piano nodale, quello corrispondente all'estremità chiusa è un piano ventrale. La formazione di onde stazionarie è possibile a tutte le frequenze definite dalla relazione:

dove n è il numero intero. Anche in questo caso il tubo è un risonatore di frequenza fondamentale f=c/4l, ossia metà del caso precedente. Anche in questo caso occorre correggere la lunghezza l in l´=l+0,6r. I tubi sonori trovano applicazione nei tubi di Kundt, ma soprattutto negli strumenti musicali a fiato (clarinetto, flauto) e nell'organo.

Tubo di Ranque

Un tubo particolare è il tubo di Ranque o tubo Hilsh; esso consente la suddivisione di un flusso di aria che si trova a temperatura T₀ in due flussi a temperature differenti T₁0 e T₂>T₀ e cioè in due flussi, uno a temperatura inferiore a quella iniziale e l'altro a temperatura superiore. Lo schema della figura ne descrive il funzionamento: l'aria alla temperatura iniziale T₀ viene immessa a pressione elevata a metà circa di un tubo con un profilo delle pareti interne e delle due estremità indicate nella figura. All'ingresso dell'aria si crea un vortice che si dirige verso l'apertura di destra e, man mano che avanza, si riscalda per attrito; alla estremità di destra del tubo l'aria calda, a temperatura T₂, incontra un ostacolo a cuneo che fa uscire ai suoi lati l'aria calda e forma per riflessione un secondo vortice che si dirigerà all'interno del primo e in senso opposto verso l'uscita di sinistra, raffreddandosi lungo il cammino fino a raggiungere il foro di uscita a una temperatura T₁0. Questo secondo vortice avrà camminato all'interno del primo vortice senza incontrare le pareti del tubo, venendo solo a contatto dell'aria del primo vortice che avrà una temperatura sempre più bassa nella direzione dell'apertura di sinistra. In tal modo dall'apertura di sinistra uscirà il flusso di aria fredda.