Эрнст Флоренс Фридрих Хладни ( Великобритания : / ˈ k l æ d n i / , США : / ˈ k l ɑː d n i / , немецкий: [ɛʁnst ˈfloːʁɛns ˈfʁiːdʁɪç ˈkladniː] ; 30 ноября 1756 — 3 апреля 1827) — немецкий физик . и музыкант . Его самая важная работа, за которую его иногда называют отцом акустики , включала исследование вибрирующих пластин и расчет скорости звука для различных газов . [1] Он также предпринял новаторскую работу в области изучения метеоритов и рассматривается некоторыми как отец метеоритики . [2]
Хотя Хладни родился в Виттенберге в Саксонии , его семья происходила из Кремницы , которая тогда была частью Венгерского королевства , а сегодня — шахтерского города в центральной Словакии . Таким образом, Хладни был идентифицирован как немецкий , [3] [4] венгерский [5] и словацкий . [6]
Хладни происходил из образованной семьи ученых и образованных людей. Прадед Хладни, лютеранский священнослужитель Георг Хладни (1637–1692), покинул Кремницу в 1673 году во время Контрреформации . Дед Хладни, Мартин Хладни (1669–1725), также был лютеранским богословом и в 1710 году стал профессором богословия в Виттенбергском университете . В 1720–1721 годах он был деканом богословского факультета, позже стал ректором университета . Дядя Хладни, Юстус Георг Хладни (1701–1765), был профессором права в университете. [ нужна цитата ] Другой дядя, Иоганн Мартин Хладни (1710–1759), был теологом, историком и профессором Эрлангенского и Лейпцигского университетов .
Отец Хладни, Эрнст Мартин Хладни (1715–1782), был профессором права и ректором Виттенбергского университета. Он поступил там на юридический факультет в 1746 году . Матерью Хладни была Иоганна София, и он был единственным ребенком . [7] Его отец не одобрял интерес сына к науке и настаивал на том, чтобы Хладни стал юристом. [6] [8] [9]
Хладни изучал право и философию в Виттенберге и Лейпциге, получив степень юриста в Лейпцигском университете в 1782 году. В том же году умер его отец, и он всерьез занялся физикой. [8] [9] Он читал лекции по праву, математике и естественным наукам в Виттенбергском университете с 1783 по 1792 год. В это время он начал свои первые эксперименты с акустикой. [6]
Одним из самых известных достижений Хладни было изобретение техники, показывающей различные режимы вибрации на твердой поверхности, известной как фигуры Хладни или узоры Хладни из-за различных форм или узоров, создаваемых различными модами. При резонансе пластина или мембрана разделяется на области, колеблющиеся в противоположных направлениях, ограниченные линиями, где вибрация не возникает ( узловые линии ). Хладни повторил новаторские эксперименты Роберта Гука , который 8 июля 1680 года наблюдал узловые закономерности , связанные с вибрациями стеклянных пластин. Гук провел скрипичным смычком по краю тарелки, покрытой мукой, и увидел, как появились узловые узоры. [10] [8] [9] [11]
Техника Хладни, впервые опубликованная в 1787 году в его книге Entdeckungen über die Theorie des Klanges («Открытия в теории звука»), заключалась в наведении лука на кусок металла, поверхность которого была слегка покрыта песком. Пластина изгибалась до тех пор, пока не достигла резонанса, когда вибрация заставляет песок двигаться и концентрироваться вдоль узловых линий там, где поверхность неподвижна, очерчивая узловые линии. Узоры, образованные этими линиями, представляют собой то, что сейчас называют фигурами Хладни . Подобные узловые структуры можно также найти, собирая микромасштабные материалы на волнах Фарадея . [12]
Хладни посетил Парижскую Академию в 1808 году и продемонстрировал модели вибрации перед аудиторией, в которую входили не только ведущие французские ученые, но и сам Наполеон ; Наполеон учредил премию за лучшее математическое объяснение. Ответ Софи Жермен , хотя и был отклонен из-за ошибок, был единственной записью с правильным подходом. [13]
Вариации этой техники до сих пор широко используются при проектировании и изготовлении акустических инструментов, таких как скрипки , гитары и виолончели . С 20-го века стало более распространенным размещать громкоговоритель, управляемый электронным генератором сигналов, над пластиной или под ней, чтобы добиться более точной регулируемой частоты.
В квантовой механике фигуры Хладни («узловые узоры»), как известно, связаны с решениями уравнения Шредингера для одноэлектронных атомов, а описывающая их математика использовалась Эрвином Шредингером для понимания электронных орбиталей. [14]
По крайней мере, с 1738 года в Европе был популярен музыкальный инструмент под названием Glasspiel или verrillon , созданный путем наполнения пивных стаканов различным количеством воды. [15] По пивным бокалам ударяли деревянными молотками в форме ложек, чтобы воспроизвести «церковную и другую торжественную музыку». [16] Бенджамин Франклин был настолько впечатлен выступлением веррильона во время визита в Лондон в 1757 году, что в 1762 году он создал свой собственный инструмент, стеклянную гармонику . Гармоника Франклина вдохновила несколько других инструментов, в том числе два, созданные Хладни. В 1791 году Хладни изобрел музыкальный инструмент, названный эуфоном (не путать с духовым эуфониумом ), состоящий из стеклянных стержней разной тональности. Эуфон Хладни является прямым предком современного музыкального инструмента, известного как Cristal Baschet . [17] Хладни также усовершенствовал «музыкальный цилиндр» Гука, создав в 1799 году еще один инструмент, клавицилиндр. [8] [9] [16]
Хладни путешествовал по Европе со своими инструментами, проводя демонстрации. [6]
Хладни заинтересовался метеоритикой после разговора с Георгом Кристофом Лихтенбергом об огненном шаре, который Лихтенберг предположительно видел в небе Геттингена в ноябре 1791 года. Вдохновленный этим отчетом, Хладни исследовал сообщения о подобных явлениях, а также сообщения о других падающих массах по всей Европе. и Северной Америки в течение прошлого столетия. Основываясь на единообразии этих наблюдений, он пришел к выводу, что явления огненных шаров и падающих масс должны быть подлинными. [18]
Это побудило его опубликовать Über den Ursprung der von Pallas gefundenen und anderer ihr ähnlicher Eisenmassen und über einige damit в Verbindung stehende Naturerscheinungen («О происхождении железных масс, обнаруженных Палласом и другими подобными ему, и о некоторых связанных с ним природных явлениях»). ) в 1794 году. В этой книге он предположил, что метеориты имеют внеземное происхождение. [19] [20] Он утверждал, что это могло бы объяснить высокие скорости падающих масс, а также связь масс с огненными шарами; они светятся очень ярко, когда входят в атмосферу Земли. Он выдвинул гипотезу, что эти метеориты представляли собой куски материала, которые либо никогда не объединялись в более крупные массы, либо представляли собой обломки образования и разрушения планет . [18] В то время это было спорное заявление, [21] поскольку считалось, что метеориты имеют вулканическое происхождение. Кроме того, его заявления бросили вызов устоявшемуся убеждению, что за пределами Луны ничего не существует, кроме других звезд и планет. Действительно, эта предполагаемая пустота космоса очаровала Хладни в детстве, когда он узнал об относительно большом расстоянии между Марсом и Юпитером, где, как теперь известно, существует пояс астероидов . Это наблюдение учтено в его объяснении происхождения метеоритов. [18]
Книга Хладни поначалу высмеивалась современными физиками, в том числе Лихтенбергом. [22] Тем не менее, его работы вызвали любопытство, которое в конечном итоге привело к тому, что все больше исследователей поддержали его теорию. В 1795 году большой каменный метеорит наблюдался во время его падения на Землю в коттедже недалеко от Уолд-Ньютона в Йоркшире , Англия , и часть его, известная как метеорит Уолд-Коттедж , была передана британскому химику Эдварду Ховарду , который вместе с французским химиком минералог Жак де Бурнон тщательно проанализировал его состав и пришел к выводу о вероятном внеземном происхождении, отметив, что образец сильно напоминал образец метеорита из раннего метеоритного дождя в Сиене, Италия . [23] Хотя это событие было приписано извержению Везувия, расположенного в нескольких сотнях километров от него, в пределах того же диапазона, что и Уолд-Ньютон, не существует подобных вулканов, ближайшим из которых является Гекла в Исландии . [22] [23] В 1803 году министр внутренних дел Франции поручил физику и астроному Жану Батисту Био исследовать метеоритный дождь над Л'Эглем на севере Франции, который засыпал город тысячами фрагментов метеорита. [24] [8] [9] В отличие от книги Хладни и научной публикации Говарда и де Бурнона, живой отчет Био стал популярным и убедил больше людей серьезно отнестись к идеям Хладни. [20]
Идеи Хладни побудили некоторых специалистов назвать его «отцом метеоритики», в то время как другие были более консервативны в оценке вклада Хладни в эту область. [18]
Хладни продолжал пополнять свои записи о наблюдениях метеоритов в течение следующих нескольких десятилетий, а также собирал коллекцию образцов метеоритов. Он подарил эту коллекцию Минералогическому музею Берлинского университета в 1827 году, и сейчас она находится в Музее естественной истории Берлинского университета имени Гумбольдта. [25] [26]
Минерал, впервые описанный в 1993 году из железного метеорита Карлтон (IIICD), в его честь был назван хладниетом. [2] [27]
Хладни открыл закон Хладни — простое алгебраическое соотношение для аппроксимации модальных частот свободных колебаний пластин и других тел. [28]
Хладни оценил скорость звука в различных газах, поместив эти газы в органную трубу и измерив характеристики звуков, возникающих при игре на трубе. [29] Это основано на работе по измерению скорости звука в воздухе, которую Пьер Гассенди начал в 1635 году .
Хладни умер 3 апреля 1827 года в Бреслау , Нижняя Силезия , тогда входившая в состав Прусского королевства , а сегодня город Вроцлав на юго-западе Польши . [30]
Британская энциклопедия
1911 года
также приписывает
Эдварду Делавалю
изобретение веррильона.
