Фигуры Хладни
В 1680 году английский ученый Роберт Гук в Оксфордском университете провел любопытный эксперимент — управляя смычком вдоль края пластины, покрытой мукой, ученый заметил, как изменяется её форма. Немецкий физик Эрнест Хладни в 1787 году повторил эксперимент Гука, но при этом он экспериментировал с положением смычка, его длинной и шириной волоса, и обнаружил, что определенная частота формирует геометрически правильный узор, что он и описал в своей книге «Теория музыки». Позднее эти рисунки на пластине были названы «фигурами Хладни».
«Мне удалось найти средство, при помощи которого всевозможные виды звуков подобных тел, без примеси других, можно не только слышать, но и видеть; и потому я надеюсь сообщением об этих моих наблюдениях дать хоть несколько правильных указаний для более точного исследования этого мало разработанного отдела механики.»
Явление резонанса позволяет выборочно возбудить какое-то одно нужное колебание – для этого следует раскачивать тело при помощи внешней силы с частотой, равной собственной частоте нормального колебания.
На видео ниже показана типичная схема получения фигур Хладни: упругая пластинка прикрепляется в центре к генератору механических колебаний, частоту которых плавно увеличивают. Нормальные колебания пластинки со своими картинами узлов и пучностей возбуждаются при резонансном совпадении частоты генератора с собственными частотами этих колебаний. Ссобственные частоты показаны на видео в левом нижнем углу.
Лекции и опыты Хладни возбуждали всеобщий и живой интерес; ученые и любители с увлечением повторяли его опыты. Когда Хладни в 1809 г. представил свои фигуры членам Французского национального института, все, и в особенности Лаплас, смотрели на них с изумлением. Наполеон пожелал видеть повторение этих опытов в Тюильерийском дворце и отпустил Хладни 6000 франков для перевода его «Акустики» на французский язык.
Теория не знала, что ей собственно делать с этими опытными данными. Еще в 1787 г. Яков II Бернулли пытался теоретически вывести форму некоторых звуковых фигур, для чего он рассматривал прямоугольную пластинку как сетчатую ткань из волокон, пересекающихся под прямым углом. Однако Хладни показал, что полученные таким путем результаты расходятся с опытом.
В 1818 г. Хладни в одном из писем сообщал об остроумном применении его звуковых фигур одним строителем в Кобленце: для совмещения отверстий в каменной плите лестницы перед сверлением ее снизу строитель посыпал плиту песком, который при сверлении немного разражался, точно указывая место для встречного сверления сверху.
Если провести опыты с круглыми, шести- и восьмиугольными пластинками, то можно заметить, что фигура будет усложняться.
Для изучения звуковых волн в объеме доктор Ханс Йенни создал аппарат тоноскоп. Это приспособление состояло из тонких контейнеров, заполненных различными субстанциями, такими как песок, мокрый гипс и различные виды жидкостей, состоявших из тонко измельчённых частиц (тонкодисперсная среда). Также, как и в экспериментах Хладни, при прохождении звуковых волн частицы начинали выстраиваться в геометрические узоры, образовывая трёхмерные звезды, двойные четырёхгранники в кругах и другие фигуры. При повышении амплитуды вибраций, получались более замысловатые фигуры.
Российский экспериментатор Кушелев Александр Юрьевич изобрел свой способ изучения наглядного проявления звуковых волн в виде электромагнитного аналога. Этот аналог представляет из себя электромагнитный резонатор (от латинского слова «resono», что означает «звучу в ответ», «откликаюсь»), на поверхности которого образуются рельефные фигуры, подобные фигурам Хладни.
Интересно, что геометрические фигуры, которые образуются в результате эксперимента Хладни, наши предки использовали повсеместно. Мы можем наблюдать их в орнаментах украшений жилища, на колоннах, древних скульптурах, и даже на иконах. Это свидетельствует о том, что для людей, живших в различное время и на разных континентах эти изображения имели большое значение и говорит об их понимании физических процессов, которые происходят в невидимом мире.
«Звук и геометрически правильные знаки — это уже область чистой физики, а значит первая ласточка в области постижения человечеством тайны глобального Звука и рабочих знаков. По сути, это открытия на научной основе того, что было известно людям со времён глубокой древности и запечатлено в преданиях разных народов.» Из книги А. Новых «АллатРа»
