Apparecchio a Specchi Piani Rotanti
( Apparecchio di Schaffgotsk per le fiamme cantanti )Tratto da Roberto Vergara Caffarelli, STRUMENTI SCIENTIFICI TRA XVIII E XIX SECOLO NEL DIPARTIMENTO DI FISICA DELL' UNIVERSITA' DI PISA, in:
C.A. Segnini e R. Vergara Caffarelli, ANTICHI STRUMENTI SCIENTIFICI A PISA (SEC. XVII - XX), pp. 150 - 151, Pisa, 1989.
Descrizione
In alcuni esperimenti di acustica questo apparecchio serve a rendere visibili le oscillazioni che le vibrazionisonore comunicano, mediante una capsula manometrica, alla fiamma prodotta dal gas. Può essere utilizzato per studiare i fenomeni di risonanza conl’esperienza delle fiamme cantanti.
Rudolph König ha immaginato di analizzare il suono, comunicando le vibrazioni dell’aria a una fiamma per mezzo di un apparecchio, chiamato da lui capsula manometrica.
La capsula manometrica consiste in una camera cilindrica di legno di qualche centimetro di diametro, divisa in due parti da una membrana elastica di vescica animale o da una lamina sottilissima di gomma. Una delle due parti è in contatto con lo spazio dove si formano le vibrazioni sonore, sia direttamente sia attraverso un cornetto acustico.
Nell’altra parte, chiusa a tenuta, si fa entrare il gas per mezzo di un tubo. Il gas esce da un altro tubo che termina in un piccolo orifizio, sul quale il gas viene acceso, formando una fiamma luminosa. La lunghezza della fiamma dipende dalla pressione del gas e resta ferma se la membrana non si muove. Quando la membrana viene fatta vibrare dall’aria esterna, allora, se la membrana si allontana, la fiamma si abbassa e può anche spegnersi, se la membrana è spinta verso l’interno della capsula, la fiamma si allunga.
Quando il flusso di gas è sufficientemente intenso la fiamma oscillerà con la membrana, senza spegnersi.
Per la velocità delle oscillazioni e il fenomeno di persistenza dell’immagine sulla retina, le oscillazioni non potranno essere viste. Tuttavia ponendo davanti alla fiamma l’apparecchio che stiamo per descrivere, si vedranno apparire delle linee frastagliate in forma di denti, in cui le fiamme alternativamente aumentano e diminuiscono.
L’apparecchio consiste in un parallelepipedo che ha una base quadrata di 80 millimetri di lato e una altezza di 120 millimetri.Questo oggetto ha le faccie laterali costituite da specchi piani ed è imperniato in un asse centrale tenuto da un supporto in legno, a sua volta fissato su una base più ampia. L’asse in alto è tenuto fermo da una guida e termina in una manovella, con cui viene mosso manualmente; mentre termina nella parte inferiore con un piccolo incavo in cui si inserisce una punta fissata alla base.
Vi è inoltre, sotto la base, una ruota di legno scanalata che può essere collegata con una cinghia a un qualsiasi sistema che faccia rotare con velocità prefissata gli specchi.
Quando il sistema di quattro specchi ruota davanti alla fiamma, se la fiamma è ferma, si vede una banda luminosa orizzontale continua; se la fiamma vibra, si vedono immagini separate, tanto più lontane tra loro quanto più rapidamente girano gli specchi e tanto più vicine, quanto più alta è la frequenza delle vibrazioni.
Le fiamme sono viste curve e inclinate verso il lato opposto alla rotazione degli specchi, a causa del loro allungamento progressivo. Se arrivano due suoni mescolati, la loro presenza è rivelata da una serie di immagini di altezze differenti a seconda di come si sommano le compressioni, in funzione del rapporto delle frequenze.Queste figure possono essere fotografate.
Nel nostro esemplare la base di legno è avvitata su una base più grande su cui è fermato un dispositivo formato da un corto tubo, in cui una serie di ondulazioni anulari sembrano adatte per farlo aderire a tenuta in un tubo di gomma, seguito da un rubinetto di ottone, dal quale partono due tubicini che si dirigono verticalmente e terminano con un piccolissimo foro.
Questo impianto tubolare può essere utilizzato per l’esperimento delle fiamme cantanti.Il fenomeno, che vogliamo descrivere, si produce quando una fiamma viene accesa all’interno di un tubo verticale, generalmente di vetro, in vicinanza di una estremità, e consiste in un suono di non piccola intensità, la cui altezza dipende dalla lunghezza del tubo e dalla grandezza e posizione della fiamma.
Per far entrare il tubo in risonanza se ne fa variare la lunghezza, facendolo scorrere dentro un tubo di cartone, a cui aderisce, posto alla sua estremità superiore. Quando c’è risonanza le fiamme compiono delle oscillazioni verticali, allungandosi e accorciandosi alternativamente, e questo effetto può essere osservato con gli specchi rotanti.
L’origine di questo suono èfatto risalire da Faraday a una serie di piccole esplosioni periodiche dovute alla formazione di una miscela esplosiva di aria e gas. Il tubo seleziona da questo rumore il suono che corrisponde alla sua lunghezza, formando un’onda stazionaria che agisce sulla fiamma, regolarizzandone le vibrazioni. Quando la fiamma è troppo corta canta spontaneamente; se si aumenta il gas, girando il rubinetto, la fiamma rimane muta e si mette a cantare solo se l’aria del tubo è costretta a compiere delle oscillazioni; se si ingrandisce ancora la fiamma, smette di cantare ma oscilla accompagnando esattamente le vibrazioni dell’aria, come può essere visto allo specchio rotante.
Se si produce un suono, anche a parecchi metri di distanza, si può vederne l’effetto sulla fiamma negli specchi rotanti, ma è necessario che vi sia perfetto accordo tra il suono e la nota che può rendere il tubo, e questo si ottiene variando la lunghezza del tubo. Quando si ha un suono complesso, fino a che la sorgente esterna non produce la nota a cui il tubo risponde, la fiamma rimane tranquilla, ma non appena si aggiunge questa nota, la fiamma risponde entrando in oscillazione e se è ben regolata si mette anche a cantare.
Cenno storico
Il primo apparecchio di questo tipo è apparso all’Esposizione di Londra del 1862. In seguito Koenig costruì tutta una serie di apparecchi basati su questa idea.
Nellìinventario del 1880 questo apparecchio viene chiamato "apparecchio di Schaffgotsk per le fiamme cantanti".
Sembra che il fenomeno delle fiamme cantanti sia stato scoperto da Higgins nel 1777
KOENIG (1864) Poggendorff’s Annalen, t. CXXII, pp. 242 e 660;
(1872) t. CXLVI, p. 161-199. GANOT (1874) pp. 168-170. DAGUIN (1878) t. I, pp. 581-582. JAMIN (1887) t.III, pp. 50-53. VIOLLE (1888) t. II, pp. 99-101. WINKELMANN (1891) t. I pp. 839-851. CHWOLSON (1907) t. I, III fasc., pp. 911-913. BATTELLI, CARDANI, (s.d. ma 1917), v. II, pp. 76-77.