FIGURY CHLADNIEGO – CZY MOŻEMY „ZOBACZYĆ” DŹWIĘK?
Figury Chladniego – czy możemy „zobaczyć” dźwięk? Bezpośrednio nie, ale zmieniając naszą perspektywę, możemy się wiele nauczyć o naturze akustyki. Jednym ze sposobów obserwowania zjawisk akustycznych jest badanie fal stojących na drgającej sprężystej płytce. Specjalna technika tworzy wzory na płycie, które ujawniają fizyczną naturę dźwięku. Jak więc „narysować” dźwięk?
Ernst Chladni: pan od prawa i meteorów
Pod koniec XVIII wieku niemiecki naukowiec Ernst Chladni był pierwszym, który pokazał, że dźwięk przemieszcza się poprzez fale, opracowując sposób wizualizacji ich wibracji.
Niedługo po uzyskaniu dyplomu prawa Ernst Chladni dokonał gwałtownej zmiany w swojej karierze, dzięki czemu stał się znany zarówno jako „ojciec meteorytów”, jak i „ojciec akustyki”.
Własny ojciec Chladniego był profesorem prawa i nie pochwalał zainteresowania syna nauką, zmuszając go do pójścia w jego ślady i bycia prawnikiem.
Młody Ernst posłuszny ojcu postąpił zgodnie z jego oczekiwaniami, ale wkrótce po ukończeniu szkoły prawniczej w 1782 r. otrzymał wiadomość o śmierci ojca.
Chociaż był to dla niego trudny czas, czuł się swobodnie, kontynuując karierę, której tak naprawdę pragnął.
Skupił się więc na fizyce.
Jak na ironię, tło prawne Chladniego dało mu przewagę w tej nauce: po zdobyciu doświadczenia w zbieraniu zeznań naocznych świadków w sprawach sądowych, użył podobnych metod w celu poparcia swojej teorii, że meteoryty są raczej pozaziemskie niż wulkaniczne.
Chladni zbadał wszystko, co tylko mógł, o obiektach spadających z nieba i znalazł ludzi, którzy byli świadkami tych wydarzeń, słyszeli i widzieli podobne zjawiska: masy skał spadające na ziemię, kule ognia, eksplozje i dźwięki.
Po zebraniu najbardziej wiarygodnych raportów naocznych świadków, mężczyzna był w stanie oszacować prędkości, z którymi skały weszły do atmosfery.
Doszedł do wniosku, że te wyjątkowo wysokie prędkości były możliwe do osiągnięcia tylko wtedy, gdy skały pochodziły z kosmosu.
Zainteresowanie akustyką
Chladni utorował sobie także drogę do eksperymentalnej akustyki.
Być może zainteresowanie i umiejętności fizyką zainspirowały go do podjęcia szerszych działań w muzyce.
Wymyślił nowe instrumenty oparte na wynalazkach Benjamina Franklina i Roberta Hooke’a, w tym eufon i klawicylinder.
Koncertował ze swoimi instrumentami w całej Europie, dając pokazy i wyjaśniając podstawy naukowe swoich projektów.
Przed publicznością prezentował zasady prawa Chladniego, które odnosi się do zależności między częstotliwością drgań ciała o symetrii osiowej a ilością węzłów powstających na jego powierzchni, jeżeli ciało to umocowane jest centralnie.
Jednak największą sensację wzbudziło inne zastosowanie tego prawa.
Mianowicie według jego zasad można zobaczyć dźwięk…
Figury Chladniego
Zainspirowany nie tylko instrumentami Roberta Hooke’a, ale także eksperymentami z wizualizacją węzłów, Ernst Chladni opracował własną technikę pokazywania wibracji na metalowej płycie.
Spostrzegł, że na takie płytce posypanej miałkim piaskiem i wprawionej w drgania smyczkiem tworzą się regularne figury, które dziś na cześć odkrywcy nazywamy figurami Chladniego.
W jaki sposób powstają figury Chladniego?
Płaska, stabilna płytka obudzona do drgań z częstotliwością pokrywającą się z częstotliwością własną płyty lub jej wielokrotnością wzbudza na swej powierzchni falę stojącą.
W wyniku tego wcześniej rozsypane na płycie, lekkie i drobne okruchy, np. soli, mąki lub piasku są wytrząsane z miejsc, gdzie drgania są duże i zsypują się do linii węzłowych, czyli tam, gdzie drgania są niewielkie.
Jeśli płyta jest pobudzana do drgań z częstotliwością inną niż rezonansowa, to drobiny na płycie będą rozsypane chaotycznie.
Kształt figur Chladniego zależny jest od kształtu płyty, częstotliwości drgań i od warunków brzegowych, czyli miejsca zamocowania i wprawiania w drgania.
Wszystkie obiekty muzyczne, w tym płytki Chladniego, mają zestaw naturalnych częstotliwości, przy których wibrują.
Fale stojące w instrumencie muzycznym mają tendencję do wibrowania na pewnych dyskretnych częstotliwościach zwanych częstotliwościami naturalnymi.
Wibrując z pewną częstotliwością, struktura odkształca się w odpowiedni kształt: tryb własny.
Płyta jest systemem ciągłym, który pokazuje częstotliwości własne zależne od geometrii, właściwości materiału i linii węzłowych.
Liczba częstotliwości własnych, które może wykazywać, jest nieskończona, zależna w dużym stopniu od kształtu płyty, warunków podparcia, a także od sztywności materiału.
Oprócz tego, że figury Chladniego niejako wizualizują dźwięk i są bardzo efektowne, to ze zjawiska tego chętnie korzystają w swej pracy lutnicy, którzy wykorzystują je do doskonalenia instrumentów muzycznych.
*Niebieską czcionką zaznaczono odnośniki np. do badań, tekstów źródłowych lub artykułów powiązanych tematycznie.
https://www.youtube.com/watch?v=8btV9QNPDU4
