043_Chladni

Experiment: Chladnische Figuren
Versuchsziel:
Die Chladnischen Figuren als bestimmte
kennzeichnende Größen werden vorgestellt.
Schwingungszustände
Versuchsaufbau/-zubehör:
Versuchsdurchführung:
Eine Metallplatte wird mit Sand bestreut.
Über einen unter ihr angebrachten Lautsprecher werden Schwingungen in
ihr erzwungen.
Versuchserklärung:
Durch die erzwungenen Schwingungen wird der Sand von den
Schwingungsbäuchen weggewirbelt und lagert sich an den
Schwingungsknoten an.
Versuchsergebnis:
Die Chladnischen Figuren zeigen für bestimmte Frequenzen typische
Muster.
Muster auf einer runden Scheibe:
Muster auf einer quadratischen Scheibe:
Der sichtbar gemachte Glockenklang
Zum 150. Todestag von Ernst-Friedrich Chladni, dem Begründer der Akustik
Von Jürgen Ostermeyer
FRA
NKFURT, l. April. "Gut gegen
Fußpilz", trösten sich die
Unverdrossenen, die in einem
überfüllten
öffentlichen
Verkehrsmittel stehend an
einer Stelle ausharren müssen,
wo es „von unten kitzelt“:
Folge von Vibrationen des
Bodenblechs, zum Beispiel in
Omnibussen, die freilich, wie
auch
moderne
Schienenfahrzeuge, technisch
mittlerweile so weit verbessert
sind,
dass
sich
die
Schwingungen, die die von
Federung und Durchbiegung
stammenden
allgemeinen
Schwingungen
überlagern,
nicht
mehr
unangenehm
bemerkbar machen. Doch zum
Beispiel in der ältesten Serie
der bei der Bundesbahn im
Nahverkehr
verwendeten
„Silberfische“ waren in den
ersten
Jahren
des
Betriebseinsatzes auf den
„gesickten“
(mit
Versteifungswülsten
versehenen) Bodenblechen der
Plattformen bei genauem
Hinsehen Schweißnähte zu
erkennen, deren Richtung
sowie Anfang und Ende
keinen rechten Sinn zu
ergeben schienen: Tatsächlich
hatten die „Oberwellen“ (erste,
zweite... „Harmonische“ - ein
im Grenzbereich von Musik
und physikalischer Akustik
angesiedelter Begriff) beim
schwingenden
Durchbiegen
dieser
sehr
leichten
Eisenbahnwagen
einen
unangenehmen
Vibrations„Kitzeleffekt“
nach
sich
gezogen, der nach gründlichen
Messungen
durch
Aufschneiden und erneutes
Zusammenschweißen
der
Bodenbleche behoben wurde.
„Schwingungsbäuche“
und
„Schwingungsknoten“ - die
gefühlsmäßig
empfundenen
Phänomene elastischer Körper
- besitzen nicht nur bei den
beschriebenen
technischen
Anwendungsfällen des Alltags
ihre geometrische Figuration,
sondern generell bei allen
Schwingkörpern: indirekt eine
Möglichkeit, Schall „sichtbar“
zu machen auf Umwegen und
dann, wenn er vor festen
Körpern ausgeht.
Schon das Vibrieren einer
Stimmgabel,
einem
bei
Musikinstrumenten benutzten
„Eichgerät“
von
genau
definierter Tonhöhe (analog
der
Schwingungsfrequenz),
ermöglicht
die
optische
Beobachtung des Schalls:
sowohl die Lage der größten
Ausschläge
an
den
Schenkelenden als auch der
„Knoten“. Schwieriger ist dies
bei den Glocken, wozu nach
der exakten physikalischen
Definition alle in der Fläche
schwingenden
Klangkörper
gehören, somit auch ebene
Platten, die in einem Punkt
fest eingespannt sind.
Wird eine solche Platte,
horizontal liegend und mit
Sand bestreut, zum Beispiel
durch einen Geigenbogen zum
Klingen gebracht, so sammeln
sich die Sandkörner an eben
jenen
Stellen,
wo
die
Schwingungsausschläge gleich
Null sind, an den „Knoten“.
Dabei
entstehen
Formen
unterschiedlicher
Gestalt,
bekannt als die so genannten
Chladnischen
Klangfiguren
und bezeichnet nach jenem
Physiker,
der
aufgrund
ausgedehnter experimenteller
und theoretischer Arbeiten die
Akustik oder die Lehre vom
Schall zu einem selbständigen
Zweig der Physik machte und
somit
letztlich
die
Voraussetzungen für ganz
andere Anwendungsbereiche
schuf, wie zum Beispiel
unerwünschter Schwingungen,
seien sie direkt unter der
Fußsohle fühlbar oder „nur“
als Geräuschbelästigung, Herr
zu werden.
Am 30. November 1756
wurde Ernst Florens Friedrich
Chladni
in
Wittenberge
geboren. Sein Vater, ein
Universitätsprofessor,
bestimmte den Sohn für eine
geisteswissenschaftliche
Laufbahn, die sich mit dem
Erwerb des Doktortitels der
Rechte und der Philosophie
zunächst erfolgreich anbahnte.
Die zu jener Zeit in
allgemeinem
Aufstreben
befindlichen
Naturwissenschaften
faszinierten
den
jungen
Geisteswissenschaftler indes
weit mehr als sein Metier; und
Chladni, dem ein zweites oder
Parallelstudium
durch
unglückliche
Umstände
verwehrt war, wurde - wie
man es heute nennen würde angesichts einer sicheren
Karriere zum „Ausgeflippten“,
der seinen Lebensunterhalt
durch irgendwelche Vorträge
und Konzertreisen verdiente.
Immerhin muss diese Tätigkeit
nicht nur den Mann ernährt,
sondern auch Mittel und Muße
für
systematische
Forschungsarbeiten
eingebracht
haben;
die
Beschäftigung mit der Musik
gebar
schließlich
einen
Katalog von Fragestellungen,
Experimenten
und
Schlussfolgerungen,
der
inzwischen das Fundament für
unser heutiges Wissen über die
Zusammenhänge
von
mechanischen Schwingungen
und hörbaren Tönen bildet.
Zwar hatte der im 6.
Jahrhundert
vor
unserer
Zeitrechnung lebende Grieche
Pythagoras
ein
Zahlenverhältnis
schwingender Saiten, genauer:
den
Zusammenhang
von
Länge
und
Tonhöhe
untersucht; aber um die
Wende zum 19. Jahrhundert
herrschte die Ansicht vor,
Schall sei vorwiegend ein
Phänomen, das mit Luft (oder
ähnlichen Gasen) zu tun habe.
Chladni trennte in seiner
Definition vom Wesen des
Schalls die Schwingungen
(den „eigentlichen“ Schall)
von dem sie transportierenden
Medium,
wobei
seine
berühmten „Klangfiguren“ auf
schwingenden Bronze- oder
Glasplatten immerhin den
verblüffenden
Beweis
lieferten, dass hier ein
sichtbarer
(anhand
der
Sandfiguren)
Vorgang
identisch mit etwas Hörbarem
sei.
Die Einordnung des Schalls in
die
Schwingungsund
Wellenlehre führte dazu, je
nach dem
Verhältnis
des
Schwingungsvorganges
zu
seiner Fortpflanzungsrichtung
so genannte Longitudinal-,
Transversalund
Drehschwingungen
(längs,
quer
und
um
eine
Rotationsachse)
zu
unterscheiden, wobei Chladni
auch die Geschwindigkeit des
Schalls in Gasen und festen
Körpern ermittelte. Sozusagen
als „Nebenprodukt“ dieser
Forschungen entstanden zwei
neue „Musikinstrumente“: das
Euphon
und
der
Klavierzylinder, die zwar
wenig gebräuchlich wurden,
die aber ihr Erfinder virtuos
spielen konnte.
In
einem
sein
Hauptarbeitsgebiet überhaupt
nicht berührenden Metier
machte Chladni eine Aussage,
die
aufgrund
ihrer
prophetischen
Genauigkeit
(wie erst später bestätigt
wurde) allerdings schließen
lässt, der Wissenschafter habe
sich näher damit beschäftigt;
denn die Feststellung, dass die
Meteoriten - auf die Erde
stürzende Materiebrocken kosmischen Ursprungs seien,
berührte eine damals noch
völlig unerforschte Frage.
Chladni sprach sogar von
„eisenhaltigen Feuerkugeln“ -,
was im Hinblick auf die
Zusammensetzung
der
„Sternschnuppen“
ebenfalls
eine
Erkenntnis
von
verblüffender
Voraussicht
war.
Um so kurioser will es dann
anmuten, dass erst der
deutsche Physiker Gustav
Robert Kirchhoff (1824 bis
1887) eine genaue Erklärung
der auf schwingenden Platten
entstehenden
Klangfiguren
gab, was ihr Entdecker, der so
vieles andere zu deuten
vermocht hatte, allerdings
nicht mehr erlebte: ErnstFriedrich Chladni starb am 3.
April 1827, vor nunmehr 150
Jahren, in Breslau.
FAZ,
2.4.1977
Chladni 1800 bei einem Vortrag
E. Bäringhausen, Über Chladnische Klangfiguren, PdN-Ph 2/45 (1996), S.11, Abb.2