Эрнст Флоренс Фридрих Хладни ( Великобритания : / ˈk l æ d n i / , США : / ˈk l ɑː d n i / , нем.: [ ɛʁnst ˈfloːʁɛns ˈfʁiːdʁɪç ˈkladniː ] ; 30 ноября 1756 — 3 апреля 1827) был немецким физиком и музыкантом . Его наиболее важные работы, за которые его иногда называют отцом акустики , включали исследования вибрирующих пластин и расчет скорости звука для различных газов . [1] Он также провел пионерскую работу по изучению метеоритов и считается некоторыми отцом метеоритики . [2]
Хотя Хладни родился в Виттенберге в Саксонии , его семья происходила из Кремницы , тогда входившей в состав Королевства Венгрия , а сегодня являющейся шахтерским городом в центральной Словакии . Поэтому Хладни идентифицируют как немца , [3] [4] венгра [5] и словака . [6]
Хладни происходил из образованной семьи академиков и учёных людей. Прадед Хладни, лютеранский священник Георг Хладни (1637–1692), покинул Кремницу в 1673 году во время Контрреформации . Дед Хладни, Мартин Хладни (1669–1725), также был лютеранским теологом и в 1710 году стал профессором теологии в Виттенбергском университете . Он был деканом теологического факультета в 1720–1721 годах, а позже стал ректором университета . Дядя Хладни, Юстус Георг Хладни (1701–1765), был профессором права в университете. [ необходима цитата ] Другой дядя, Иоганн Мартин Хладни (1710–1759), был теологом, историком и профессором в Эрлангенском и Лейпцигском университетах .
Отец Хладни, Эрнст Мартин Хладни (1715–1782), был профессором права и ректором Виттенбергского университета. Он присоединился к юридическому факультету в 1746 году. [ требуется ссылка ] Мать Хладни звали 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 юридическое образование в Лейпцигском университете в 1782 году. В том же году умер его отец, и он всерьёз 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 жесткой поверхности, известной как фигуры Хладни или узоры Хладни из-за различных форм или узоров, создаваемых различными режимами. При резонировании пластина или мембрана делится на области, которые вибрируют в противоположных направлениях, ограниченные линиями, где не происходит никакой вибрации ( узловые линии ). Хладни повторил пионерские эксперименты Роберта Гука , который 8 июля 1680 года наблюдал узловые узоры , связанные с вибрациями стеклянных пластин. Гук провел смычком скрипки по краю пластины, покрытой мукой, и увидел, как возникают узловые узоры. [10] [8] [9] [11]
Методика Хладни, впервые опубликованная в 1787 году в его книге Entdeckungen über die Theorie des Klanges («Открытия в теории звука»), состояла в том, чтобы провести смычком по куску металла, поверхность которого была слегка покрыта песком. Пластина сгибалась до тех пор, пока не достигала резонанса, когда вибрация заставляла песок двигаться и концентрироваться вдоль узловых линий, где поверхность была неподвижна, очерчивая узловые линии. Узоры, образованные этими линиями, — это то, что сейчас называется фигурами Хладни . Похожие узловые узоры можно также найти, собирая микромасштабные материалы на волнах Фарадея . [12]
Хладни посетил Парижскую академию в 1808 году и продемонстрировал образцы колебаний перед аудиторией, в которую входили не только ведущие французские ученые, но и сам Наполеон ; Наполеон учредил приз за лучшее математическое объяснение. Ответ Софи Жермен , хотя и был отклонен из-за недостатков, был единственной записью с правильным подходом. [13]
Вариации этой техники до сих пор широко используются при проектировании и создании акустических инструментов, таких как скрипки , гитары и виолончели . Начиная с 20-го века, стало более распространенным размещать громкоговоритель, приводимый в действие электронным генератором сигналов, над или под пластиной для достижения более точной регулируемой частоты.
В квантовой механике известно, что фигуры Хладни («узловые узоры») связаны с решениями уравнения Шредингера для одноэлектронных атомов, а описывающая их математика была использована Эрвином Шредингером для понимания электронных орбиталей. [14]
Начиная с 1738 года в Европе был популярен музыкальный инструмент под названием Glasspiel или verrillon , создаваемый путем наполнения пивных бокалов различным количеством воды. [15] По пивным бокалам ударяли деревянными молоточками в форме ложек, чтобы издавать «церковную и другую торжественную музыку». [16] Бенджамин Франклин был настолько впечатлен игрой на verrillon во время своего визита в Лондон в 1757 году, что в 1762 году создал свой собственный инструмент — стеклянную гармонику . Гармоника Франклина вдохновила несколько других инструментов, в том числе два, созданных Хладни. В 1791 году Хладни изобрел музыкальный инструмент под названием эуфон (не путать с духовым инструментом эуфониум ), состоящий из стеклянных стержней разной высоты тона. Эуфон Хладни является прямым предком современного музыкального инструмента, известного как Cristal Baschet . [17] Хладни также усовершенствовал «музыкальный цилиндр» Гука, создав в 1799 году другой инструмент — клавицилиндр. [8] [9] [16]
Хладни путешествовал по всей Европе со своими инструментами, давая демонстрации. [6]
Хладни заинтересовался метеоритикой после разговора с Георгом Кристофом Лихтенбергом об огненном шаре, который Лихтенберг якобы 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 Америке в течение последнего столетия. Основываясь на единообразии этих наблюдений, он пришел к выводу, что явления огненных шаров и падающих масс должны быть подлинными. [18]
Это привело его к публикации работы Über den Ursprung der von Pallas gefundenen und anderer ihr ähnlicher Eisenmassen und über einige damit in Verbindung stehende Naturerscheinungen («О происхождении железных масс, найденных Палласом и другими, подобными ему, и о некоторых связанных с ними природных явлениях») в 1794 году. В этой книге он предположил, что метеориты имеют внеземное происхождение. [19] [20] Он утверждал, что это объясняет высокие скорости падающих масс, а также связь масс с огненными шарами; они ярко светятся, когда входят в атмосферу Земли. Он выдвинул гипотезу, что эти метеориты были кусками материала, которые либо никогда не консолидировались при формировании более крупных масс, либо были обломками от формирования и разрушения планет . [18] Это было спорное утверждение в то время, [21] поскольку метеориты считались вулканического происхождения. Кроме того, его заявления бросали вызов устоявшемуся мнению, что за пределами Луны ничего не существует, кроме других звезд и планет. Действительно, эта предполагаемая пустота пространства очаровала Хладни в детстве, когда он узнал об относительно большом расстоянии между Марсом и Юпитером, где, как теперь известно, находится Пояс астероидов . Это наблюдение учитывалось в его объяснении происхождения метеоритов. [18]
Книга Хладни изначально была высмеяна современными физиками, включая Лихтенберга. [22] Тем не менее, его труды вызвали любопытство, которое в конечном итоге привело к тому, что больше исследователей поддержали его теорию. В 1795 году большой каменный метеорит был замечен во время его падения на Землю в коттедже недалеко от Уолд Ньютона в Йоркшире , Англия , и его кусок, известный как метеорит Уолд Коттедж , был передан британскому химику Эдварду Говарду , который вместе с французским минералогом Жаком де Бурноном тщательно проанализировал его состав и пришел к выводу, что, вероятно, он имеет внеземное происхождение, отметив, что образец имел сильное сходство с образцом метеорита из раннего метеоритного дождя в Сиене, Италия . [23] Хотя это событие было приписано извержению Везувия в нескольких сотнях километров, в том же диапазоне Уолд Ньютона не существует похожих вулканов, а ближайшим является Гекла в Исландии . [22] [23] В 1803 году физик и астроном Жан Батист Био был уполномочен министром внутренних дел Франции расследовать метеоритный дождь над Л'Эглем на севере Франции, который усеял город тысячами метеоритных фрагментов. [24] [25] [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]
Прозрения Хладни позволили некоторым специалистам в этой области называть его «отцом метеоритики», в то время как другие были более консервативны в своей оценке вклада Хладни в эту область. [18]
Хладни продолжал развивать свои записи наблюдений метеоритов в течение следующих нескольких десятилетий, а также собирать коллекцию образцов метеоритов. Он подарил эту коллекцию Минералогическому музею Берлинского университета в 1827 году, и теперь она находится в Музее естественной истории в Берлинском университете имени Гумбольдта. [26] [27]
Минерал, впервые описанный в 1993 году в железном метеорите Карлтон (IIICD), был назван в его честь хладниитом. [2] [28]
Хладни открыл закон Хладни , простое алгебраическое соотношение для аппроксимации модальных частот свободных колебаний пластин и других тел. [29]
Хладни оценил скорости звука в различных газах, помещая эти газы в органную трубу и измеряя характеристики звуков, которые возникали при игре на трубе. [30] Это основывалось на работе по измерению скорости звука в воздухе, которую Пьер Гассенди начал в 1635 году. [ необходима цитата ]
Хладни умер 3 апреля 1827 года в Бреслау , Нижняя Силезия , тогда часть Королевства Пруссия , а сегодня город Вроцлав на юго-западе Польши . [31]
В издании
Энциклопедии Британника
1911 года также приписывается
изобретение верильона
Эдварду Делавалю .
