Gdy przez ośrodek przenika fala stojąca to cząsteczki tego ośrodka drgają z różną amplitudą. Te miejsca gdzie drgania odbywają się z maksymalną amplitudą nazywamy strzałkami fali stojącej. Tam zaś gdzie drgania zanikają mówi się o węzłach fali stojącej. Strzałki i węzły nie zmieniają swojego położenia – stoją w miejscu – stąd też nazwa fala stojąca. Ta charakterystyczna cecha fali stojącej pozwala na jej efektowne obrazowanie w przypadku drgań powierzchni takich jak sprężyste płyty. Po raz pierwszy takiej wizualizacji dokonał niemiecki fizyk, pionier akustyki i badacz meteorytów Ernst Chladni żyjący w latach 1756-1827. Spostrzegł on, że na metalowej płycie posypanej miałkim piaskiem i wprawionej w drgania smyczkiem tworzą się regularne figury, które dziś na cześć odkrywcy nazywamy figurami Chladniego.

W jaki sposób powstają figury Chladniego? Pobudzając płytę do drgań z częstotliwością pokrywającą się z częstotliwością własną płyty lub jej wielokrotnością wzbudza się na niej powierzchniową falę stojącą. W wyniku tego, wcześniej rozsypane na płycie, lekkie i drobne okruchy są wytrząsane z miejsc gdzie drgania są duże i zsypują się do linii węzłowych, a więc tam gdzie drgania są znikome. Jeśli płyta jest pobudzana do drgań z częstotliwością inną niż rezonansowa to drobiny na płycie będą rozsypane chaotycznie. Kształt figur Chladniego zależy od kształtu płyty, częstotliwości drgań i od warunków brzegowych, a więc miejsca zamocowania i wprawiania w drgania.

Zdjęcia poniżej przedstawiają figury otrzymane przy pomocy zestawu złożonego na poczekaniu z elementów dostępnych w domu. Płyty zostały wycięte nożyczkami z kawałka kartonu. Takie płyty nie są tak sprężyste i równe jak metalowe płyty przeznaczone specjalnie do pokazu doświadczenia Chladniego co odbija się na mniej regularnym kształcie figur. Są za to łatwe do samodzielnego wykonania. Środek płyty okrągłej i kwadratowej został wyposażony w mocowanie pozwalające na sklejenie z membraną starego głośnika komputerowego poświęconego na eksperymenty. Głośnik podpięty został do komputera z zainstalowanym programem generującym tony o regulowanej częstotliwości.

Doświadczenie przygotowane w ten sposób przebiega następująco: Przed włączeniem głośnika, należy płytę równomiernie posypać lekkimi i drobnymi okruchami. Przy jasnej płycie całkiem dobrze nadaje się do tego herbata z torebek. Następnie w programie komputerowym generującym sygnał należy ustawić najniższą dostępną częstotliwość. Przed wykonaniem prób warto założyć stopery do uszu bo generowane dźwięki są dokuczliwe. Gdy już włączymy głośnik obserwujemy płytę i jednocześnie kręcimy powoli pokrętłem generatora. Wcześniej czy później spostrzeżemy, że przy pewnej częstotliwości okruchy zaczynają wyraźnie drgać w niektórych miejscach, a słyszany dźwięk jest głośniejszy. To sygnał, że płyta wpadła w rezonans i za chwilę utworzy się figura Chladniego. Czasami w trakcie doświadczenia trzeba dosypać okruchów na płytę aby otrzymany wzór był lepiej widoczny. Następne figury otrzymamy zwiększając częstotliwość. Za każdym razem warto zapisać wartość częstotliwości przy której powstała dana figura co pozwoli na szybkie jej odtworzenie w przyszłości. Jak widać na załączonych zdjęciach tym sposobem można otrzymać nawet kilka różnych wzorów dla danej płyty. Przykładowo dla płyty kołowej pierwsza figura powstała w opisanym układzie przy częstotliwości 129 Hz. Częstotliwość przy jakiej udało się wygenerować ostatnią wynosiła 2409 Hz. Dało się zauważyć, że przy wyższych częstotliwościach rezonanse nie są już tak intensywne i figury tworzą się dłużej.

Choć takim przyrządem może nie uda się stworzyć tak regularnych figur i w tak dużym zakresie częstotliwości jak z użyciem płyt metalowych wzbudzanych smyczkiem czy specjalistycznym generatorem, ale i tak stosunek nakładu pracy włożonej w przygotowanie eksperymentu do efektów jest całkiem dobry.

Oprócz tego, że zjawisko powstawania figur na drgających powierzchniach jest bardzo efektowne jest ono również wykorzystywane w praktyce przez lutników do doskonalenia instrumentów muzycznych.

Powrót