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由音頻產生奇妙的幾何圖形:克拉尼誕辰|科學史上的今天:11/30

克拉尼在正方形金屬薄片上鋪了一層薄薄的細沙,接著拿起小提琴琴弓,將弦靠在金屬片邊緣,緩緩拉動。細沙隨著金屬片的細微震動而上下跳動,慢慢改變位置,結果竟形成一幅對稱的幾何圖案。克拉尼驚喜的看著聲音在眼前幻化成形,自己最愛的音樂與科學就這麼巧妙地結合在一起,還有什麼比這更棒?!

恩斯特·克拉尼。圖片來源:wikipedia

克拉尼出身書香門第。曾祖父是滿腹經綸的神學家,祖父與父親不但分別是德國威騰堡大學的神學教授與法律教授,還先後擔任過這所大學的校長。家風凜然,加上父親堅持要他將來當律師,克拉尼被迫選讀法律與哲學。但就在他1782年大學畢業後,父親過世,克拉尼終於可以重拾自小熱愛的音樂與科學。

其實克拉尼只是重做虎克1680年就做過的實驗,差別在於虎克當年用的是玻璃板與麵粉。虎克發現此一現象後並未深究,直到百年以後,克拉尼才系統性地展開一系列實驗,並於1787年出版著作,發表實驗結果;自此這類由音頻產生的幾何圖案就稱為「克拉尼圖形」(Chladni patterns)。

自此這類由音頻產生的幾何圖案被稱為「克拉尼圖形」。圖/flickr

克拉尼圖形呈現的就是駐波的二維波形。當弓弦劃過金屬片邊緣時,會使金屬片產生共振,於是位於震動較大之部位的沙就會不斷跳動,直到彈跳至震動較小的位置──也就是波的節線,因而勾勒出波的共振圖案。不同的頻率會產生不同型態的共振,如今信號產生器可以產生精確的各種頻率,更能輕易製造出繁複美麗的共振圖案。除了純粹欣賞視覺之美,因為提琴、吉他等樂器所發出的美妙聲音就是源自琴身本身的共振,因此克拉尼圖形也被用來設計或改良這類樂器。

克拉尼用以產生駐波二維波形的裝置。圖片來源:wikipedia

除了弦樂器,克拉尼還曾在教堂的管風琴中裝入各種氣體,測量其振動頻率,而首度計算出不同氣體中的音速。克拉尼就因為在聲學上所做的先驅性研究,而被稱為「聲學之父」。

此外他還研究隕石,根據所蒐集的資料分析,於1794年發表論文,率先主張隕石來自外太空,而非當時普遍認為的來自火山。一開始克拉尼備受嘲弄,直到1803年的流星雨在法國北部落下數以千計的隕石碎片,經法國科學家調查,出具報告後,克拉尼的論點才終於獲得世人認同。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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