克拉尼图形:惊人的共振实验

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


当我第一次看到这个视频时,我以为它是假的。也许是愚人节玩笑。但是,它不仅是真的,而且这种现象已经存在数百年了。为什么我现在才听说它?

(还有一个完整版本,您可以在其中听到声音:https://www.youtube.com/watch?v=1yaqUI4b974


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那么,我们在这里看到的是什么?

这个演示是由一位名为brusspup的多产 YouTube 用户进行的。我已经欣赏他的惊人的视觉错觉几年了——而且我不是唯一一个!他的视频已经获得了数千万次的观看。

但这一个不是错觉。相反,它是一种巧妙的方法,可以揭示我们感官通常看不到的模式。它可以追溯到 18 世纪,甚至 17 世纪,以及一位有些默默无闻的科学家。

恩斯特·克拉尼是一位德裔匈牙利物理学家和音乐家,他在声学和陨石研究方面做出了开创性的工作。

事实上,在 1794 年,他是第一个发表陨石起源于外星的古怪想法的人,这一提议遭到了嘲笑。当时,它们被认为是火山起源的。 但是我们都知道谁笑到了最后。在十年内——在他有生之年——当一场戏剧性的流星雨在法国一个小镇上留下了难以辩驳的陨石证据时,他得到了证明。

但是视频中看到的现象是克拉尼最著名的现象。这是一种揭示刚性表面复杂振动模式的技术。

来自维基百科...

“在共振中振动的板或膜被分成在相反方向上振动的区域,这些区域由称为节点线的零振动线界定... 克拉尼的技术... 包括用弓在表面轻轻覆盖沙子的金属片上拉动。拉动板直到它达到共振,当振动使沙子移动并集中在表面静止的节点线上,从而勾勒出节点线。”

现代演示版本倾向于使用现代设备,例如带有可调频率的扬声器和信号发生器。在视频中,随着频率的改变,我们能够看到板中的图案如何呈现各种复杂的形状。沙子被从振动区域推开,并聚集在表面保持静止的地方(节点线)。

出现的漂亮图案现在称为克拉尼图形,尽管克拉尼实际上是在罗伯特·胡克早期的实验基础上进行的,罗伯特·胡克在 1680 年观察到振动玻璃板中的这些节点图案。

因此,像许多科学家一样,克拉尼是“站在巨人的肩膀上”。而且,就他的情况而言,不仅仅是任何巨人,而是艾萨克·牛顿在著名的解释中写给他的那个巨人,解释了他如何能够比以前的人看得更远。

更新:如果您对物理学感兴趣,请务必查看Skulls in the Stars 上非常深入的解释,其中包含许多精彩图案的原始图像,并将该主题与激光和量子力学联系起来。推荐!

In addition to performing and giving science communication talks for NSF, AAAS, NASA, NIST, ACS and other acronyms, Brian Malow has produced science videos for Time magazine and audio pieces for Neil deGrasse Tyson's StarTalk radio show. He has blogged for 大众科学 and worked in science communications at the North Carolina Museum of Natural Sciences. He can be found as @sciencecomedianScienceComedian.com.

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