Всем знакомо это мерзкое чувство, когда кто-то другой, а не ты, на всю мощь включает в своей легковой машине аудиосистему, заставляя всё вокруг мелко вибрировать от мощных басов.
Но вот же что странно... Все мы понимаем, что это акустические волны заставляют сотрясаться окружающие предметы, и чем звук громче, тем сильнее вибрации. Однако лишь нестандартно мыслящие люди решают провести эксперимент и ответить на вопрос - а как именно это всё происходит.
Одним из таких любопытных умов был немецкий физик Эрнст Хладни. Задолго до изобретения автомобилей и, тем более, акустических систем для этих автомобилей, он заинтересовался проблемой поведения мелких частиц песка на поверхности колеблющейся пластины.
Для этого он просто проводил по краю этой пластины смычком, заставляя её вибрировать. И с удивлением обнаружил, что песчинки выстраиваются в геометрически правильные фигуры. Их потом так и назвали - ФИГУРЫ ХЛАДНИ.
Учёный установил, что более крупные песчинки собирались в узлах этих фигур, малые - в пучностях (так называют участки стоячей волны, в которых колебания имеют наибольшую амплитуду). Позже было установлено, что важную роль здесь играет явление резонанса, который позволяет выборочно возбудить из множества возможных колебаний тела какое-то одно, если раскачать это тело при помощи внешней силы с частотой, равной собственной частоте нормального колебания.
Самое интересное, что Хладни не был первым, кто это заметил. Почти за сто лет до этого английский учёный Роберт Гук наблюдал примерно то же самое, когда проводил смычком по краю тарелки с мукой. И частицы муки тоже вели себя довольно слаженно - в зависимости от частоты колебаний.
Но тогда это почему-то не произвело достаточного впечатления на физиков. А вот Хладни сумел заставить их сердца трепетать так же, как те самые металлические пластины.
Уже в наше время опыты Хладни были повторены многократно с использованием пластин и песка из самых разных материалов, а также акустических излучателей, позволяющих получать колебания в очень широком диапазоне.
Оказалось, что упругая пластинка колеблется не так, как мембрана, поскольку они различаются по массе и упругости, из-за чего фигуры получаются весьма непохожими. Разумеется, огромную роль играет и то, каким образом закреплены эти мембраны или пластинки - по краям или по центру, а также какую форму имеют сами они.
И, конечно же, было очень интересно выяснить, таким же образом колеблются поверхности музыкальных инструментов, в зависимости от того, из чего они изготовлены. Ведь это во многом объясняет то, почему одни гитары, скрипки или виолончели имеют потрясающее звучание, а другие почему-то нет, хотя выглядят "одна в одну".
С точки зрения физики, ФИГУРЫ ХЛАДНИ можно объяснить возникновением стоячих волн на различных поверхностях. Поскольку, в отличие от бегущих волн, они стоят на месте, формируется определённый рисунок распределения амплитуд колебаний по пространству. В пучностях амплитуда колебаний достигает максимума, в узлах она равна нулю. А поскольку каждая волна колеблется с собственной частотой, возникает довольно интересный рисунок, образованный - точнее, визуализированный с помощью песчинок - каждой из них.
Но в том, какие же конкретно ФИГУРЫ ХЛАДНИ в итоге получатся, огромное значением играет форма пластины или мембраны. И тут физики копают насколько глубоко, что затрагивают тему квантовой теории хаоса. О чём я тут, конечно же, говорить не собираюсь (но кому интересно, можете заглянуть сюда).
В общем, стоит также напомнить о том, что в опытах Хладни мы видим только то, что доступно нашему глазу. Однако микроскопические и бесконечно малые частицы ведут себя точно так же.
Эрнст Флоренс Фридрих Хладни (30 ноября 1756 - 3 апреля 1827) - немецкий физик, специалист по железным метеоритам, основатель экспериментальной акустики, изобретатель. Иностранный член-корреспондент Санкт-Петербургской академии наук.
Родился в Виттенберге, земля Саксония-Анхальт, в очень образованной семье. Как ни странно, его отец, профессор права и ректор Виттенбергского университета, был против того, чтобы Эрнст был учёным, и настоял на том, чтобы тот стал адвокатом.
Хладни-младший изучал юриспруденцию и философию в Виттенберге и Лейпциге, получил степень доктора наук... но когда отец умер, всё-таки занялся любимой физикой.
В ходе своих экспериментов со звуком, он изобрёл музыкальный инструмент, который назвали ЭУФОН ХЛАДНИ - набор небольших прямых стеклянных трубочек, соединенных с кривыми стержнями. Звучание, которое вызывалось вибрацией от продольного трения трубочек увлажненными пальцами, напоминало звук гармоники. Он усиливался резонатором, помещавшимся сначала за трубочками, а затем горизонтально под ними.
А ещё через несколько лет Хладни создал другой оригинальный инструмент - клавицилиндр. Он напоминал квадратное пианино, в котором помещался звуковой цилиндр (единственный, в отличие от эуфона). Музыка, напоминавшая звуки гармоники, вызывалась трением об него искривленных металлических стержней. Он не требовал настройки, обеспечивал возможность не просто ударного, но протяжного звучания и был намного благозвучнее эуфона. Его внутреннее устройство Хладни держал в секрете, так как, по его словам, этот инструмент был главным средством его “пропитания”.
Итогом этих экспериментов стал ЗАКОН ХЛАДНИ, суть которого состоит в том, что существует отношение между частотой свободных колебаний пластин и других тел.
Кроме того, учёный исследовал ПАЛЛАСОВО ЖЕЛЕЗО и высказал предположение о космическом происхождении метеоритов. Причём его исследования в этой области едва ли не такие же серьёзные, как и в акустике.
Вы можете поддержать канал, перечислив любую доступную вам сумму на кошелёк ЮMoney 4100 1102 6253 35 (или на карту Райффайзенбанка 2200 3005 3005 2776). И поучаствовать в создании книги по материалам этих статей. Заранее всем спасибо!
