Ернст Хладні

Ернст Флоренс Фрідріх Хладні (нім. Ernst Florens Friedrich Chladni; 30 листопада 1756, Віттенберг — 3 квітня 1827, Бреслау) — німецький фізик та дослідник метеоритів, основоположник експериментальної акустики, музикант, іноземний член-кореспондент Петербурзької АН (1794). Його роботи присвячені дослідженню вібруючих пластин та струн, обчисленню швидкості звуку для різних газів та розробці теорії походження метеоритів. За зроблений ним вклад у відповідні галузі наук його іноді називають «батьком акустики». або «батьком метеоритики».

Ернст Хладні
нім. Ernst Chladni
Портрет Портрет
Народився	30 листопада 1756(1756-11-30) Віттенберг (тепер у землі Саксонія-Ангальт, Німеччина)
Помер	3 квітня 1827(1827-04-03) (70 років) Бреслау, Сілезія (тепер — Вроцлав, Польща)
Поховання	Вроцлав
Країна	Священна Римська імперія  Королівство Пруссія
Діяльність	фізик, астроном, математик, музикант, геолог
Alma mater	Університет Віттенберга, Лейпцизький університет
Галузь	фізика, астрономія
Заклад	Петербурзька академія наук
Науковий ступінь	доктор філософії, доктор права
Членство	Academy of Science for Public Utilityd Російська академія наук Прусська академія наук Баварська академія наук Туринська академія наук Ludlamshöhled
Відомий завдяки:	дослідження в галузі акустики та метеоритики
Ернст Хладні у Вікісховищі

Біографія

Походження

Мартін Хладні, дід Ернста Хладні

Хоч Е. Хладні і народився у Віттенберзі (з 1938 Лютерштадт-Віттенберг, нім. Lutherstadt Wittenberg), але корені його сім'ї беруть початок у невеликому шахтарському місті Кремниця у центрі Словаччини (тоді — частина Королівства Угорщина). Хладні за походженням був із родини вчених у декількох поколіннях.

Прадід Ернста — Георг Хладні (1637—1692) був лютеранським священиком, який у 1673 році, під час Реформації переїхав з Кремниці до Віттенберга. Дід Мартін Хладні (1669—1725) також був лютеранським богословом, у 1710 році став професором богослов'я у Віттенберзькому університеті (Лейкорея) і у 1720—1721 роках був деканом факультету теології а потім ректором університету. Дядько Юстус Хладні (1701—1765) був професором права у тому ж університеті. Інший дядько, Йохан Хладні (1710—1759), був богословом, істориком і професором в університеті Ерлангена та Лейпцизькому університеті.

Батько Ернст Мартін Хладні (1715—1782) був професором права і ректором Віттенберзького університету та не дуже схвалював інтересу свого сина до природничих наук і наполягав, щоб той став адвокатом. Його мати — Йоганна Софія (нім. Johanna Sophia) з родини Клемент, у якої він був єдиною дитиною (сестра померла у п'ятимісячному віці, ще до його народження). Мати Е.Хладні померла, коли йому не було ще п'яти років.

Освіта

Ернст ріс під строгим контролем батька, а потім, з 14 до 17 років, під час навчання у місцевій школі у місті Грімма під не менш строгим наглядом її педантичного директора Мюкка. В автобіографії, написаній у зрілому віці, Хладні з вдячністю відгукнувся про них обох. Зазначав, що вони сприяли зміцненню в ньому таких рис характеру, як працьовитість, любов до порядку, цілеспрямованість та невибагливість у побуті. З особливою теплотою Хладні згадував свою мачуху Йоганну-Шарлотту, яка замінила йому матір і турботи про яку ще декілька років після смерті батька, до самої її кончини (1801), утримували його від далеких поїздок.

Лише у 19 років почав вчитися грі на роялі. Захопившись музикою, зацікавився книгами з теорії музики і звуку взагалі.

Хладні вивчав юриспруденцію і філософію в університетах Віттенберга і Лейпцига, де він отримав ступені доктора філософії (1781) і доктора права (1782). Після смерті батька 1782, Хладні всерйоз почав займатися дослідженнями в області фізики.

Після ознайомлення з працями Й.Бернуллі і Л. Ейлера, Е. Хладні дізнався про низку невирішених проблем у галузі акустики, таких як визначення швидкості звуку в різних середовищах і тілах та встановлення залежності частоти звучання (висоти звуку) від густини середовища. Хладні занурився в безконечні експерименти. Вплив густини газового середовища на звук він вивчав з допомогою маленької олов'яної флейти, в яку вдмухувались різні гази. Дослідами з порівняння швидкостей звуку в повітряному стовпі труби органу і в металевому стрижні він вперше довів, що в останньому швидкість звуку не є нескінченною (як вважалося на той час), а лише у 16-17 разів перевищує швидкість звуку у повітрі.

Щоб задовольнити свою другу пристрасть — тягу до подорожей, Хладні відмовився від офіційної служби (а його чекала посада професора університету). Тому він ніколи не мав стабільного матеріального доходу і жив на скромні кошти, які отримував від виступів під час своїх незліченних поїздок. Він об'їздив всю Європу. У своїй автобіографії він писав, що йому слід було б стати моряком чи купцем, або ж лікарем. З великою щирістю він зізнавався, що у виборі його роду занять істотну роль зіграло марнославство, прагнення проявити свою особистість, які у певній мірі пригнічувались в юності.

Життя у науці

Необмежена природна допитливість, працьовитість та цілеспрямованість направляли його увагу і сили у найменше вивчені наукою області явищ. І він домігся в цих областях значних успіхів. Разом з тим як заняття чистою наукою, так і нерегулярне читання лекцій в університетах (спочатку у Віттенберзі — з фізичної та математичної географії, з геометрії, потім протягом трьох років у Берліні — з акустики) давали незначні доходи, то Хладні перебував постійно у складному матеріальному становищі. Це послужило поштовхом до пошуку успіху в практичній діяльності, у сфері винахідництва і мистецтва, які користувались більшим попитом у суспільстві.

Натхненний дослідами якогось Мезоччі зі звучними гнучкими пластинками Хладні придумав принципово новий музичний інструмент і в 1789 р. створив свій еуфон (у перекладі з грецької — милозвучний), а на наступний рік вже міг продемонструвати гру на ньому. Цей інструмент являв собою набір невеликих прямих скляних трубочок, з'єднаних з кривими стрижнями. Звучання, яке викликалося вібрацією від поздовжнього тертя трубочок зволоженими пальцями, нагадувало звук гармоніки. Він посилювався резонатором, що розміщався спочатку за трубочками, а потім горизонтально під ними. Широкий відгук на цей винахід в німецьких газетах і музичному журналі, а потім і у відомому англійському «Філософському журналі» підказали Хладні ідею музичних виступів на публіці, які він доповнював лекціями з акустики і демонстрацією звукових фігур.

Конструкція еуфона була громіздкою і ненадійною. На зворотному шляху, у довгому плаванні (1799) Балтійським морем з Ревеля (Таллінн) під Фленсбург (тоді в Данії), Хладні не тільки придумав спосіб як удосконалити еуфон, але і розробив по суті новий інструмент, який отримав назву «клавіциліндр». Остаточно конструювання клавіциліндра було завершене до 1802. Інструмент мав розміри корпуса 80х50х18 см (довжина, ширина і товщина резонуючого футляра), де містився звуковий, тепер вже єдиний циліндр. Циліндр був з'єднаний з клавіатурою і ніжною педаллю, за допомогою якої і махового колеса циліндр, що змочувався водою час від часу приводився в обертання. Музика, що нагадувала звуки гармоніки, викликалася тертям об нього викривлених металевих стрижнів. Інструмент не вимагав налаштування, забезпечував можливість не лише ударного, але і протяжного звучання і був набагато милозвучнішим за еуфон. Конструктивні особливості Хладні тримав у секреті, так як, за його словами, цей інструмент був головним засобом його «виживання». Опис нового інструменту, як і всього комплексу своїх акустичних досліджень, Хладні виклав у вже згаданому великому творі «Акустика».

У 1803, під час перебування у Веймарі, Хладні знайомиться з Йоганном Гете та обговорює з ним проблеми акустики.

У Європі тим часом розгоралася війна нового претендента на світове панування — Наполеона I, що утрудняло поширення наукової інформації між країнами. Незважаючи ні на що, Хладні робить одну за одною свої великі поїздки, час від часу повертаючись до Віттенберга, до якого у 1806 вже наближалися воєнні дії. Разом з місцевою професурою йому довелося переховуватися в сусідньому містечку Кемберзі (нім. Kemberg).

У 1808 році Хладні прибуває до Парижа, де демонструє П. С. Лапласу і К. Л. Бертолле а згодом, і Наполеону, свій клавіціліндр та звукові фігури. Вражений імператор назвав Хладні людиною, яка зробила видимим звук. Хладні був задоволений двогодинною аудієнцією у Наполеона. У листопаді 1809 в Парижі виходить зроблений самим Хладні на прохання французьких фізиків переклад французькою «Акустики». У 1810—1812 рр. він продовжує поїздку з лекціями і виступами по Швейцарії (Цюрих і Женева), Італії (Турин, Мілан, Павія, Болонья, Флоренція, Венеція) і повертається через Падую, Верону, Мюнхен, Відень і Карлсбад. Побоюючись розбійників, Хладні подорожував в кареті, що мала подвійне дно, щоб убезпечити свої колекції.

Пізніше, у 1814, він робить мужній вчинок — рятує від пожежі (при обстрілі пруськими військами) важливі документи міста, що зберігалися у Віттенберзькій фортеці, в той час як значна частина його подорожніх записів були знищені у його власному будинку, що згорів. На щастя, вдалося вберегти від вогню музичні інструменти, унікальну метеоритну колекцію і портрети музикантів.

Останні роки життя

Вважаючи акустичні заняття і особливо інструменти головним своїм досягненням, Хладні опублікував у Лейпцигу «Новий внесок в акустику» (нім. Neue Beiträge zur Akustik) (1817), «Вклад у практичну акустику і у вчення про будову інструментів» (нім. Beiträge zur praktischen Akustik und zur Lehre vom Instrumentbau) (1821), де детально описав нову конструкцію еуфона і клавіциліндр.

Свою останню подорож Хладні зробив в 1827 року з Кемберга до Бреслау (тоді в Королівстві Пруссії, яка входила у Німецький союз, нині Вроцлав у Польщі) через Берлін. З Бреслау він написав 28 березня, що має намір залишитися там до 14 квітня, а потім на кілька тижнів вирушити з лекціями у Франкфурт на Одері. Але, під час зупинки у будинку свого друга Г. Штеффенса, його тіло було знайдене вранці 3 квітня 1827 бездиханним.

Посмертно було видано його працю «Короткий огляд вчення про звук і тонах з додатком, розвитком і розташуванням відповідних співвідношень тонів» (1827) і друге незмінене видання його фундаментальної праці «Акустика» (1830). Хладні крім Петербурзької академії обрали своїм членом вчені товариства Геттінгена і Ерфурта, а також Берлінське товариство друзів-натуралістів.

Одну з найбагатших колекцій метеоритів, що налічувала 41 зразок, Хладні заповів Мінералогічному музею Берлінського університету, де вона і зберігається.

Фігури Хладні

Метод отримання резонансу пластини з використанням смичка

Приклади фігур Хладні з книги Е.Хладні «Акустика»

Одне з найвідоміших досягнень Хладні полягає у проведенні досліджень коливань плоских поверхонь пластин або мембран. В умовах резонансу області вібрацій на поверхні пластин поділяються на зони, які коливаються у протифазі та обмежені лініями нульової вібрації (лініями вузлів стоячих хвиль). Хладні повторив експеримент англійського вченого Роберта Гука, який у 8 липня 1680 року в Оксфордському університеті, проводив дослідження, під час якого спостерігав візерунки ліній вузлів стоячих хвиль при вібрації скляних пластин, покритих борошном, від взаємодії смичка з їх краєм.

Свої спостереження про вплив коливань на зміну форми, Хладні описав і видав у 1787 книгою «Відкриття у теорії звуку» (нім. Entdeckungen über die Theorie des Klanges, репринтне видання книги вийшло у 1980 році). Вони показали розподіл стоячих хвиль, що виникають при вібрації пластинки, і стали у подальшому ефективним методом вивчення власних коливань діафрагм різних акустичних приладів.

Лекції та досліди Хладні викликали широкий і живий інтерес, вчені та аматори з захопленням повторювали його досліди.

Музичні інструменти

У 1791 році Хладні винайшов музичний інструмент, який отримав назву еуфон Хладні, який складався із скляних стрижнів з різною частотою коливань. Еуфон Хладні — прямий предок сучасного музичного інструмента, відомого як скляна гармонія. Хладні також удосконалив музичний циліндр Гука і на його основі винайшов клавіциліндр.

Наукові здобутки

Хладні першим провів експериментальні дослідження різних акустичних явищ, багато з яких отримали теоретичне пояснення значно пізніше. Відкрив існування поздовжніх коливань струн і стрижнів, вивчив форми коливань стрижнів, а також камертонів, дзвонів і пластинок, виявив крутильні коливання стрижнів.

Хладні відкрив закон (закон Хладні), що характеризує залежність між частотою коливань тіла з осьовою симетрією та числом вузлів стоячих хвиль на його поверхні за умови центрального його закріплення.

Керуючись працями П'єра Ґассенді щодо вимірювання швидкості звуку у повітрі, Хладні провів експеримент, в процесі якого йому вдалось досить точно визначити швидкості поширення звуку в різних газах, виміряв відношення швидкостей звуку в різних матеріалах до швидкості звуку у повітрі. Дав пояснення луни, встановив верхню межу слухового сприйняття звуку. В 1787 році описав фігури, що утворюються на посипаній піском поверхні пластинки в умовах її пружних коливань (фігури Хладні).

З 1792 зайнявся також дослідженнями метеоритів. У 1794 році в Ризі Хладні видав книгу «Про походження знайдених Палласом та інших подібних до неї залізних мас та про деякі пов'язані з цим явища природи» (нім. Uber den Ursprung der von Pallas gefundenen und anderer ihr ehnlicher Eisenmassen und uber einige damit in Verbindung stehende Naturerscheinungen), у якій він висловив припущення, що метеорити мають космічне походження і є фрагментами міжпланетної речовини. Хладні припускав, що вони, можливо є залишками первинного матеріалу, з якого утворились планети. В основних рисах описав явища, що відбуваються при вторгненні метеоритного тіла в атмосферу. Праця Е. Хладні була зустрінута вороже більшістю вчених того часу, оскільки багато хто вважав, метеорити є продуктами вулканічної активності. З цією книгою Е. Хладні також став одним із засновників сучасної астрономічної науки — метеоритики. У своїх працях задокументував понад 180 випадків падіння та знахідок метеоритів. У відгук на настійні прохання своїх друзів астрономів та фізиків, він підбив підсумок своїм ідеям у великому творі «Про вогняні метеори і маси, що падають з ними» (нім. Über Feuer-Meteore und über die mit denselben herabgefallenen Massen).

Е. Хладні є автором 120 наукових публікацій; 60 з них стосуються акустики, а 46 метеоритів.

Основні публікації Е. Хладні

• Chladni E. Die Akustik [Архівовано 11 січня 2016 у Wayback Machine.]. Leipzig 1802, französische Übersetzung: Traite d’ acoustique, Paris 1809 und in: Neue Beiträge zur Akustik, Leipzig 1817
• Chladni E. Entdeckungen über die Theorie des Klanges 1787.
• Chladni E. Uber den Ursprung der von Pallas gefundenen und anderer ihr ehnlicher Eisenmassen und uber einige damit in Verbindung stehende Naturerscheinungen. Riga; Leipzig, 1794.
• Chladni E. Über Feuer-Meteore und über die mit denselben herabgefallenen Massen. Wien, 1819.
• Chladni E. Beiträge zur praktischen Akustik und zur Lehre vom Instrumentbau. Leipzig 1821

Вшанування пам'яті

На честь Е. Хладні названо:

• астероїд 5053 Хладні головного поясу, відкритий 22 березня 1985 року;
• кратер Хладні на Місяці;
• мінерал метеоритного походження хладніт з групи фосфатів.

Див. також

• Фігури Хладні
• Закон Хладні
• Кіматика

Джерела

• Храмов Ю. А. Хладни Эрнст Флоренс Фридрих (Chladni Ernst-Florens-Friedrich) // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.: Наука, 1983. — С. 290. — 400 с.
• Еремеева А. И. История метеоритики. Истоки. Рождение. Становление. — Дубна: Феникс+, 2006. — 896 с.

Посилання

• Ernst Florens Friedrich Chladni (1756—1827) [Архівовано 23 січня 2013 у Wayback Machine.] (англ.)
• Ernst Chladni: physicist, musician and musical instrument maker [Архівовано 23 травня 2015 у Wayback Machine.] (англ.)
• D. Ullmann Life and work of E.F.F. Chladni^{[недоступне посилання]} // The European Physical Journal Special Topics. June 2007, Volume 145, Issue 1, pp 25-32. (англ.)
• Chladni patterns in vibrated plates [Архівовано 10 березня 2013 у Wayback Machine.] (англ.)
• Big Chladni Plate [Архівовано 6 травня 2010 у Wayback Machine.] (англ.)