Фигуры Хладни
Published date 28.04.2015
Last modified date 14.01.2019
Существует несколько способов демонстрации стоячей волны, один из них – фигуры Хладни:
Согласно принципу Арнольда Эрнст Хладни – не первооткрыватель, впервые появление узоров наблюдал Роберт Гук. Но тем не менее в историю рисунок образующийся из-за стоячей волны в пластинке носит имя Хладни. Узор получали посыпая пластинку песком и проводя по краю смычком (википедия):
Движения смычка заставляли пластинку колебаться на некоторой резонансной частоте. Пластинка колеблется волнами, волна добегая до края отражается от него и бежит обратно, интерферируя сама с собой. В установке на фото пластинка колеблется под действием электромагнита. Если подобрать частоту так, чтобы на ней укладывалось целое число полуволн, то сформируется рисунок:
Образуется стоячая волна – на пластинке есть участки где прямая и отраженная волна вместе складываются усиливаясь – там песок всегда скачет, а есть там где они друг друга гасят – это узлы, в них песок лежит неподвижно. В зависимости от формы пластинки – фигуры могут быть различной формы. Взять пластинку произвольной формы, посыпать песком, подобрать частоту – и готовы логотипы для брендов)
Так как я видео красивое не сниму, приведу чужое:
А вот еще одно, с другими красивыми опытами:
Разумеется образование стоячей волны важно в конструировании музыкальных инструментов. Вот пример фигур Хладни на корпусе гитары (википедия):
Тут важно отметить, что на видео и на рисунках для простоты указаны частоты округленные до целых, в то время как для образования фигуры важны даже доли герца! Вращая ручку генератора не так просто поймать момент с устойчивым рисунком, особенно когда частота довольно высока.
Ну и для любителей загадок есть такая история. В Шотландии есть рослинская капелла св. Матвея, которая содержит множество тайн и загадок, и еще больше легенд связано с ее именем. В частности на одной из арок есть 213 резных каменных кубов, с вырезанных на них геометрическим рисунком. Многие исследователи пытались понять что зашифровано в рисунках на кубах. Отставной генерал ВВС Томас Митчел, со своим сыном пианистом Стюартом Митчелом предложили оригинальный способ расшифровки послания. Они сопоставили геометрические рисунки с фигурами Хладни, и пришли к выводу что на кубах записаны частоты – ноты.
Собрав ноты воедино и творчески обработав их они представили миру произведение – “Рослинский Мотет”
Если вы хотите поразвлекаться с фигурами Хладни, показать опыт на вечеринке – то вам нужно раздербанить динамик (инструкция) и закрепить на нем пластинку. В качестве генератора можно использовать любой программный генератор сигналов, а вот усилитель придется временно позаимствовать из активной акустики или собрать самостоятельно (можно даже обнаглеть и просто включить динамик в питание через mosfet транзистор, на выходе будет не синусоида, но фигуры Хладни получатся. В установке что на фото в начале поста – выход меандр, а не синус).
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник
Фигуры Хладни — простой стенд своими руками
Здравствуйте, уважаемые читатели и самоделкины!
Наверняка некоторые из Вас знают о таком интересном физическом явлении, как фигуры Хладни.
Эти фигуры, образуются из скоплений мелких частиц (например песка) вблизи пучностей или узловых линий на поверхности упругой колеблющейся пластинки.
В итоге я решил повторить этот эксперимент. Этот опыт будет интересен как школьникам, так и взрослым.
За основу я взял вибрационный динамик мощностью 25 Вт .
Этот динамик весьма популярен, так как его применяют для осуществления мести шумным соседям. Звуковые колебания прекрасно передаются даже через бетонную стену или перекрытие. Ну да ладно, я его не для этих целей приобрел.
Штатные провода пришлось немного удлинить, а соединения заизолировать. Все работы делал сын — понесет стенд в школу на урок физики.
Изначально планировалось использовать вот такой функциональный генератор сигналов на микросхеме XR2206 с диапазоном частот от 1 Гц до 1 МГц.
От разъема питания на генераторе провели два провода питания к усилителю.
Однако оказалось, что на выходе генератора амплитуда сигнала достигает 12 вольт (да, сразу подали на усилитель, но он выжил), и нужно ставить делитель. Кроме того, не очень удобно регулировать частоту.
Конечно, есть еще несколько вариантов, и они даже проще.
Первый — если есть поблизости ноутбук или стационарный компьютер, то на нем нужно установить программный функциональный генератор. В частности, таким функционалом обладает довольно древняя, но прекрасная программа SpectraLab.
Второй вариант — подключить к усилителю аудио приемник Bluetooth , а на смартфоне поставить программу генератора (их очень много разных). Нужен самый простой сигнал синусоидальной формы.
Питание усилителя обеспечивалось блоком 12В, 3А .
В качестве пластины можно использовать тонкий (от 0,5 до 2 мм) алюминиевый или жестяной лист, кусок оргстекла, стеклотекстолита, и т. д. Из этого материала нужно вырезать квадрат со сторонами от 200 до 300 мм.
В центре квадрата можно просверлить отверстие, и прикрепить его к вибрационному динамику болтом с гайкой.
Я же использовал в качестве пластины подложку от 3D принтера Ender-3 . Разметив на ней центр, площадку от динамика я закрепил на нижней стороне пластины на кусочек тонкого 1-мм двухстороннего скотча. Причем клеить всю площадку не обязательно — эффект будет лучше при меньшей площади контакта.
Снизу динамика провод выведен через отверстие, и закрепить его на столе в горизонтальном положении сложно. Тут как раз подошла винтовая крышка от стеклянной банки. Она плотно села на корпус динамика, а провод свободно вышел через щель.
Сама крышка клеится к столу на двухсторонний скотч, после чего пластина с площадкой прикручивается к динамику. Важный момент — пластина должна находиться в горизонтальном положении, иначе песок или другой мелкозернистый сыпучий материал «убежит» с нее на стол.
Дальнейшие опыты проводила молодежь, и частоты не записывала. Вместо песка использовали… манку.
Конечно, можно использовать и обычный старенький динамик, вот только с креплением пластины придется повозиться.
Вот такой простой и интересный физический эксперимент Вы можете провести вместе с Вашими детьми.
Всем хорошего настроения, крепкого здоровья, и интересных идей!
Подписывайтесь на телеграм-канал сайта, чтобы не пропустить новые статьи.
Источник
Фигуры Хладни. О чём это?
О влиянии звука на тело и сознание человека сегодня уже слышали многие. Даже существует мнение, что западная низкочастотная музыка специально была создана для того, чтобы воздействовать на тело и сознание человека. И поведение людей на концертах такой музыки говорит само за себя – отмечается возбуждение нервной системы, раздражённость, агрессивность и так далее. Именно так воздействуют на человека низкие частоты, чего нельзя сказать о классической музыке, в которой преобладают высокочастотные звуки. И такая музыка исцеляюще воздействует на человека.
Звук – своего рода живая энергия, которую можно не только услышать, но и… увидеть. Да, именно так. Благодаря изобретению одного талантливого учёного это стало возможным.
Немецкий учёный, Хладни Эрнст Флоренс Фридрих ещё в 18-ом веке изобрёл способ, благодаря которому звук можно увидеть. Надо сказать, что немецкий физик не был первооткрывателем в этой области. Впервые особенность звука оказывать воздействие на окружающие предметы отметил английский учёный Роберт Гук ещё в 1680-ом году. Его исследования, которые он проводил в Оксфордском университете, показали, что предметы способны менять свою форму под воздействием колебаний.
Как именно это произошло? Роберт Гук отметил, что если воздействовать смычком на край металлической пластины, которая покрыта мукой, то мука начинает движение и постепенно формирует узоры.
Немецкий физик Эрнст Хладни продолжил работать в этом направлении. По мере того, как он накопил определённый опыт в этой сфере, он издал книгу «Теория Звука», в которой подробно описал свои эксперименты.
Эксперимент Хладни
В чём же важность и ценность проведённых Эрнстом Хладни исследований? Во-первых, как говорил сам Хладни, благодаря его исследованию появилась возможность «звук не только слышать, но и видеть».
Во-вторых, он эмпирическим путём доказал существование стоячей звуковой волны, которая собственно и формирует все эти диковинные узоры. Но самое главное, эксперимент Эрнста Хладни наглядно показывает, как сильно отличаются низкие и высокие звуковые вибрации.
Суть эксперимента в том, что при низких вибрациях формируются самые грубые простые узоры – геометрические фигуры: квадраты, кресты, круги и иже с ними. Но по мере повышения вибрации звука происходит настоящее чудо: на пластинах вырисовываются всё более сложные узоры – звёзды, орнаменты и так далее.
И это яркий пример того, как разные звуковые вибрации могут воздействовать на окружающий мир. И значит, воздействие звука на человека – это вовсе не миф. Ведь если под действием вибраций песок перемещается по пластине, образуя те или иные узоры, значит, некие процессы также проходят и на клеточном уровне в теле человека – клетки также реагируют на те или иные вибрации. И совершенно очевидно, что низкие и высокие вибрации действуют на человека не одинаково. Именно этим объясняется такая разница ощущений на концерте рок-музыки и на концерте классической музыки.
Фигуры Хладни в домашних условиях
Всё это может показаться какой-то фантастикой. Но главное преимущество науки в том, что любой желающий может повторить тот или иной эксперимент и убедиться в том, что это не миф, а реально существующий факт. Эксперимент с фигурами Хладни можно повторить в домашних условиях. Что нам для этого потребуется?
Как сделать фигуры Хладни в домашних условиях? Для этого нам потребуется металлическая пластина, закреплённая по центру, а также скрипичный смычок. Скрипичный смычок в данном случае будет наиболее удобным, но может подойти альтовый, виолончельный и контрабасовый. Также нам потребуется некий мелкодисперсный порошок, в классическом варианте используется песок, но проще будет использовать то, что найдётся на кухне – манную крупу, соль или соду. Сахар, скорее всего, не подойдёт, так как имеет слишком крупные кристаллы.
Для проведения эксперимента нам необходимо будет насыпать на поверхность пластины песок, манку или соль, а затем проводить по торцу пластины смычком. Пластина будет издавать звуковые вибрации, и на наших глазах под воздействием этих вибраций будет формироваться рисунок.
Важно отметить, что пластины квадратной формы при воздействии смычка будут издавать низкие вибрации, а вот пластины круглой формы – более высокие. Поэтому, если есть желание и возможность увидеть именно разницу между низкими и высокими вибрациями, необходимо повторить эксперимент на квадратной и на круглой пластине. Звук, издаваемый квадратной пластиной, будет формировать более примитивные узоры, а звуки на круглой пластине – более замысловатые.
В классическом варианте в лабораторных условиях уже не используется смычок, как это делал сам Эрнст Хладни. С начала 20-го века для эксперимента с фигурами Хладни стали использовать громкоговоритель с генератором звука под самой пластиной. Это позволяет механизировать процесс, а самое главное – чётко регулировать частоты воспроизводимого звука и наблюдать за переменами в рисунке при минимальных изменениях в воспроизводимых частотах.
Эксперимент Хладни даёт ответы на вопросы
Помимо того, что фигуры Хладни наглядно демонстрируют тот факт, что звук способен влиять на окружающий мир и в том числе на человека, это открытие позволяет по-новому взглянуть на археологические находки. Учёные много лет ищут ответ на вопрос: как древним людям, которые согласно официальной исторической версии были дикарями и кроме каменного топора сделать ничего не могли, всё же удавалось строить такие удивительные сооружения. Примерами могут быть гробницы, древние храмы и так далее.
Эксперимент Хладни приоткрывает завесу тайны в этом вопросе. Не исключено, что уже задолго до открытия немецкого физика наши предки знали о чудодейственных
способностях звука и его возможности воздействовать на материю. Возможно, они нашли способ с помощью звуковых вибраций гравировать те сложные рисунки, которые часто вводят в недоумение археологов. В самом деле, уж явно не с помощью пресловутого каменного топора или «палки-копалки» были сделаны эти диковинные узоры. И эксперимент Хладни позволяет задуматься о том, что, возможно, наши предки были гораздо более развитыми, чем мы привыкли думать.
Ну и самое главное, эксперимент Хладни позволяет увидеть, что низкие и высокие звуковые вибрации действуют на материю по-разному. И это ещё раз доказывает, что низко-вибрационная музыка, которая сейчас как раз таки наиболее популярна, огрубляющим образом воздействует как на материю, так, очевидно, и на сознание. А музыка с высокими вибрациями, способная создавать сложные узоры, скорее всего, на тело и сознание действует исцеляющим образом.
Источник