АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Киматика

Кима́тика (от греч. κυματικά «изучение волн», англ. cymatics) — раздел экспериментальной акустики, изучающий возникновение видимых узоров на поверхности твёрдых пластин, мембран и жидкостей под действием звуковых волн и других механических колебаний. Классический пример киматических явлений — Фигуры Хладни, образуемые песком или другим мелким порошком на вибрирующей пластине[1].

С точки зрения физики киматика описывает частный случай визуализации стоячих волн и относится к научной и экспериментально воспроизводимой области знания. Одновременно термин «киматика» широко используется в альтернативной медицине и эзотерических практиках («звуковое исцеление», «терапия частотами» и т. п.); эти направления научным сообществом квалифицируются как псевдонаучные и в настоящей статье рассматриваются отдельно (см. ниже)[2].

Общие сведения
киматика
{{lang-en}}.cymatic
Область использования микробиология, фармацевтика, настройка музыкальных инструментов
Дата появления 1967
Автор понятия Ханс Дженни

История

Эксперименты Роберта Гука (1680)

Впервые киматические явления описал английский естествоиспытатель Роберт Гук: 8 июля 1680 года он рассыпал муку по поверхности тонкой стеклянной пластины, слегка выдвинул её за край стола и провёл смычком (тетивой самодельного лука) по её краю. Вибрация пластины перераспределила муку так, что она собралась в чётко очерченные фигуры. Вид узоров зависел от скорости движения смычка, толщины и формы пластины[3].

Эксперимент Р. Гука по получению узоров с помощью стеклянной пластины, муки и смычка. На поверхности пластины видна одна из фигур Хладни

Фигуры Хладни (XVIII век)

Систематическое изучение вибрационных узоров провёл немецкий физик Эрнст Хладни в конце XVIII века. Хладни использовал металлические пластины разной формы, посыпанные мелким песком; проводя по краю пластины смычком, он получил обширную коллекцию воспроизводимых узоров, которые впоследствии были названы его именем — фигуры Хладни[4]. Хладни впервые связал форму узора с частотой возбуждения и геометрией пластины и заложил основу того, что в XX веке было формализовано в виде теории собственных мод упругих тел. Тоноскопы и упрощённые пластины Хладни широко используются в школах и вузах как наглядные модели стоячих волн, собственных колебаний и резонанса[5].

Образование фигуры Хладни при помощи прибора Мельде

Волны Фарадея (1831)

В 1831 году Майкл Фарадей показал, что стоячие волны с чёткими узорами возникают и на поверхности жидкости, помещённой в вертикально колеблющийся сосуд. Такие волны получили название волн Фарадея и представляют собой пример параметрической неустойчивости. Именно волны Фарадея лежат в основе большинства современных демонстраций «киматики в водной среде.

Волны Фарадея, наблюдаемые в воде в чашке Петри, колебались с частотой около 50 герц.

Работы Ханса Дженни (XX век)

Термин «киматика» (англ. cymatics, нем. Kymatik) в 1967 году ввёл швейцарский врач и естествоиспытатель[3]. Для получения устойчивых узоров он разработал прибор «тоноскоп» (англ. tonoscope), позволявший возбуждать колебания в пластинах, мембранах и тонких слоях жидкости на заданной частоте. В 1967–1972 годах Дженни выпустил двухтомник «Cymatics: The Study of Wave Phenomena», в котором собрал обширный иллюстративный материал[6].

Наряду с достоверными физическими наблюдениями Дженни высказывал ряд метафизических предположений (в частности, о «формообразующей силе» звука), которые не имеют экспериментального подтверждения и позднее стали идейной основой ряда псевдонаучных течений[2].

Физические основы

Возбуждение колебаний в закреплённой пластине (смычком, электромагнитом или пьезоэлементом) порождает в ней систему стоячих волн. Пластина при этом колеблется не как целое: на её поверхности возникают узловые линии — множества точек с нулевой (или минимальной) амплитудой смещения — и пучности — области с максимальной амплитудой. Мелкие частицы, находящиеся на поверхности, испытывают вибрационное «выталкивание» из областей с большой амплитудой и скапливаются вблизи узловых линий, где движение практически отсутствует. Именно так формируются фигуры Хладни. Форма узора однозначно определяется:

  • геометрией и размерами пластины;
  • её толщиной и упругими свойствами материала;
  • граничными условиями (закрепление или свободный край);
  • частотой возбуждения.

Математически задача сводится к нахождению собственных функций уравнения колебаний тонкой упругой пластины (уравнение Кирхгофа–Лява); узоры Хладни визуализируют нули этих собственных функций[7]. В случае жидкости картина обратная: жидкость скапливается в областях пучностей, образуя гребни и впадины волн Фарадея; эти узоры также описываются собственными модулями, но уже в задачах о поверхностных волнах при параметрическом возбуждении

Раствор кукурузного крахмала и воды под воздействием синусоидальной вибрации

Применение

Настройка музыкальных инструментов

Фигуры Хладни исторически применялись мастерами-лютьерами для проверки настройки дек струнных инструментов — скрипок, альтов, виолончелей, гитар. Симметрия и расположение узловых линий на деке позволяют судить о том, насколько равномерно она отдаёт энергию колебаний, и корректировать толщину дерева до окончательной сборки корпуса.

Резонирующий участок, опознают благодаря черным зернышкам на деке клавесина

Управление изгибными колебаниями пластин

В работе Мисcерони и соавторов (2016) продемонстрировано практическое применение киматических принципов для создания в структурированной пластине области, в которую упругие волны фактически «не проникают»(англ.acoustic cloaking). Специально рассчитанная решётка изменяет локальные параметры пластины так, что фигуры Хладни, характерные для сплошной пластины, восстанавливаются на её краях, а во внутренней «скрытой» зоне колебания подавлены. Технология рассматривается в качестве перспективного направления пригодной для улучшения виброзащиты элементов конструкций[8].

Акустофлюидика и акустическая левитация

Стоячие звуковые волны в жидкости или газе позволяют бесконтактно удерживать и перемещать мелкие частицы, капли и даже небольшие живые организмы. Эти технологии — акустическая левитация и акустофлюидика(дисциплина изучающие явление на "стыке" акустики и микро флюидики - область изучающую управление малыми объемами жидкости) — активно развиваются в микробиологии, фармацевтике и производстве микрокапсул[9]. С физической точки зрения они прямо продолжают линию исследований Хладни и Фарадея.

Использование термина в альтернативных практиках

Начиная с 1960-х годов термин «киматика» используется рядом направлений альтернативной медицины и эзотерики за пределами собственно акустики. К ним относятся:

  • «звуковое исцеление» и «терапия пением»[10];
  • «вибрационная биоэнергетическая медицина», разработанная британским остеопатом Питером Гаем Маннерсом (англ. P. G. Manners), — воздействие на тело пациента заданными звуковыми частотами[11];
  • трактовка визуализированных узоров как «символов» или «букв» древних языков;
  • представления о «целительном» действии частоты 432 Гц по сравнению со стандартной частотой в 440 Гц.

Ни одна из этих практик не имеет надёжного экспериментального подтверждения. Клинические исследования эффектов, приписываемых «частотному исцелению» и «настройке 432 Гц», не подтверждают заявленных лечебных свойств; сама физическая аргументация («резонанс клеток с определённой частотой», «память воды» и т. п.) противоречит современной биофизике[12][2]. Метод Маннерса не входит в клинические рекомендации ВОЗ и не признан Министерством здравоохранения РФ в качестве медицинской технологии; он относится к практикам комплементарной и альтернативной медицины и не может заменять традиционное лечение.

Официальная позиция научного сообщества по отношению к перечисленным направлениям — скептицизм[2].

Примечания

  1. ↑ Исследования процесса изменения фигур Хладни на колеблющейся мембране с тонким слоем жидкости // КиберЛенинка.
  2. ↑ 1 2 3 4 Pseudoscience: Do We Know What We Are Talking About? (англ.). Skeptical Inquirer (2024).
  3. ↑ 1 2 Shapiro, 2012, p. 17.
  4. ↑ Ernst Florens Friedrich Chladni // Oxford Dictionary of Scientists : [арх. 10 декабря 2012]. — Oxford Univ. Press, 1999. — P. 101.
  5. ↑ Адаптация вузовского лабораторного практикума по физике для школьников // КиберЛенинка.
  6. ↑ Jenny, 2001.
  7. ↑ Cymatics for the cloaking of flexural vibrations in a structured plate (англ.). arXiv:1508.06242 (2016).
  8. ↑ Misseroni, D. Cymatics for the cloaking of flexural vibrations in a structured plate : [англ.] / D. Misseroni, D. J. Colquitt, A. B. Movchan … [et al.] // Scientific Reports. — 2016. — No. 6. — doi:10.1038/srep23929. — PMID 27068339. — PMC 4828639.
  9. ↑ “The waves that make the pattern: a review on acoustic manipulation”. Applied Materials Today [англ.]. 2021.
  10. ↑ Shapiro, 2012, p. 18.
  11. ↑ Segen, 2010.
  12. ↑ Бредогенерация с частотой 432 Гц. Habr (2018).

Литература

  • Jenny, Hans. Cymatics : The Study of Wave Phenomena : Combined volumes One and Two : [англ.]. — Reprint ed. — Newmarket, NH : Macromedia Publishing, 2001.
  • Shapiro, Marcey. Transforming the Nature of Health : A Holistic Vision of Healing That Honors Our Connection to the Earth, Others, and Ourselves : [англ.]. — North Atlantic Books, 2012. — ISBN 978-1583943618.
  • Segen, Joseph C. The Dictionary of Alternative & Complementary Medicine : Subjective health care viewed with an objective eye : [англ.]. — BookBaby, 2010. — 500 p.
  • Misseroni D., Colquitt D. J., Movchan A. B. et al. Cymatics for the cloaking of flexural vibrations in a structured plate // Scientific Reports. — 2016. — Vol. 6. — doi:10.1038/srep23929.
  • Jenny, Hans. Cymatics : The Study of Wave Phenomena : Combined volumes One and Two : [англ.]. — Reprint ed. — Newmarket, NH : Macromedia Publishing, 2001.
  • Shapiro, Marcey. Transforming the Nature of Health : A Holistic Vision of Healing That Honors Our Connection to the Earth, Others, and Ourselves : [англ.]. — North Atlantic Books, 2012. — ISBN 978-1583943618.
  • Segen, Joseph C. The Dictionary of Alternative & Complementary Medicine : Subjective health care viewed with an objective eye : [англ.]. — BookBaby, 2010. — 500 p.
  • Misseroni D., Colquitt D. J., Movchan A. B. et al. Cymatics for the cloaking of flexural vibrations in a structured plate // Scientific Reports. — 2016. — Vol. 6. — doi:10.1038/srep23929.

Классические труды по акустике

Ссылки

Категории