Nel 1777, un esperimento condotto dal fisico tedesco Ernst Chladni, spesso definito il Padre dell’Acustica, cambiò radicalmente la nostra comprensione del suono. Chladni, spinto dalla curiosità e dalla voglia di esplorare il mondo sonoro in modo innovativo, mise a punto un esperimento che avrebbe dimostrato in modo inequivocabile la natura vibrante del suono. Chladni utilizzò una sottile lastra di metallo su cui dispose dei granelli di sabbia. Poi, attraverso un archetto di violino, fece vibrare la lastra. Con grande sorpresa, osservò come la sabbia iniziò a danzare e oscillare, formando figure straordinarie e complesse. Queste forme, note come “figure di Chladni”, non solo erano belle nella loro simmetria, ma cambiavano a seconda della tecnica impiegata nell’uso dell’archetto. Le figure di Chladni sembravano emergere come se fossero disposte da mani invisibili, trasformando il suono in una manifestazione visiva. Questo esperimento, semplice ma elegante, rese tangibile un concetto astratto:
L’Esperimento inquietante:
il suono, fino ad allora invisibile, divenne osservabile. Uno dei risultati più noti di Chladni fu infatti l’invenzione di una tecnica per mostrare i vari modi di vibrazione su una superficie rigida, noti come figure di Chladni o modelli di Chladni a causa delle varie forme o modelli creati da vari modi. Quando è in risonanza , una piastra o membrana è divisa in regioni che vibrano in direzioni opposte, delimitate da linee in cui non si verifica alcuna vibrazione ( linee nodali ). Chladni ripeté gli esperimenti pionieristici di Robert Hooke che, l’8 luglio 1680, aveva osservato i modelli nodali associati alle vibrazioni delle lastre di vetro. Hooke fece scorrere un archetto di violino lungo il bordo di un piatto ricoperto di farina e vide emergere i modelli nodali. Hooke aveva già osservato questo 9 anni prima, nel 1671, e a sua volta fu ispirato da un suggerimento che aveva letto in Sylva Sylvarum di Bacon , dove Bacon descrive di aver strofinato il bordo di un bicchiere pieno d’acqua e di aver osservato l’acqua “sprizzare e spruzzare”. Hooke presentò questo nel 1680 alla Royal Society , e non ci fu alcun seguito. La tecnica di Chladni, pubblicata per la prima volta nel 1787 nel suo libro Entdeckungen über die Theorie des Klanges (“Scoperte nella teoria del suono”), consisteva nel tendere un arco su un pezzo di metallo la cui superficie era leggermente ricoperta di sabbia. La piastra veniva curvata fino a raggiungere la risonanza, quando la vibrazione faceva sì che la sabbia si muovesse e si concentrasse lungo le linee nodali dove la superficie era ferma, delineando le linee nodali. I modelli formati da queste linee sono quelli che oggi sono chiamati figure di Chladni . Modelli nodali simili possono essere trovati anche assemblando materiali in microscala sulle onde di Faraday. Chladni aveva visitato l’Accademia di Parigi nel 1808 e aveva dimostrato i modelli di vibrazione davanti a un pubblico che includeva non solo i principali scienziati francesi ma anche Napoleone stesso; Napoleone istituì un premio per la migliore spiegazione matematica. La risposta di Sophie Germain , sebbene respinta a causa di difetti, era l’unica proposta con l’approccio corretto. Varianti di questa tecnica sono ancora comunemente utilizzate nella progettazione e costruzione di strumenti acustici come violini , chitarre e violoncelli . Dal XX secolo, è diventato più comune posizionare un altoparlante pilotato da un generatore di segnale elettronico sopra o sotto la piastra per ottenere una frequenza regolabile più precisa. Nella meccanica quantistica , è noto che le figure di Chladni (“modelli nodali”) sono correlate alle soluzioni dell’equazione di Schrödinger per gli atomi monoelettronici, e la matematica che le descrive è stata utilizzata da Erwin Schrödinger per arrivare alla comprensione degli orbitali elettronici.
La nuova comprensione del suono:
L’importanza dell’esperimento di Chladni non risiedeva soltanto nella bellezza delle figure create, ma anche nella cornice teorica che ne derivava. Prima di Chladni, molti teorici del XVII e XVIII secolo sostenevano che il suono fosse generato da minuscole particelle di materia in movimento. Tuttavia, Chladni dimostrò che il suono è il risultato di vibrazioni di onde, un principio che rispecchia le sue radici nella Fisica di Aristotele ma che finalmente ottenne prove tangibili. Questa rivoluzione nella comprensione del suono portò a un cambio di paradigma: il suono non era più relegato a un’etere invisibile, ma poteva essere studiato e osservato in vari modi. Non solo ciò allargò la portata della ricerca acustica, ma innalzò anche il livello di accessibilità degli esperimenti. Chiunque avesse avuto accesso a una lastra di metallo, a un archetto di violino e a un po’ di sabbia poteva replicare l’esperimento di Chladni, portando a una diffusione delle sue scoperte tra studenti e ricercatori.
L’eredità di Chladni:
L’importanza delle figure di Chladni si estese ben oltre il suo tempo. Nel 1901, Annie Besant e Charles Leadbetter scrissero nel loro studio teosofico, “Le forme-pensiero”, che queste figure erano diventate “familiari a ogni studente di acustica” e venivano continuamente riprodotte in ogni laboratorio di fisica. Ciò riflette non solo la diffusione dell’esperimento, ma anche l’impatto duraturo del lavoro di Chladni nel campo dell’acustica. Le figure di Chladni nonsono solo una curiosità mnemonica nei laboratori di fisica; costituiscono una testimonianza del potere della scienza nel rivelare la bellezza nascosta nel mondo che ci circonda. In questo modo, Chladni non ha solo aperto una finestra sulla natura del suono, ma ha anche ispirato generazioni di scienziati a esplorare ulteriormente il regno delle vibrazioni e delle onde.
Fonti:
- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/j.1945-5100.2007.tb00606.x
- https://books.google.it/books?id=B_s4AAAAMAAJ&pg=PA26&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false
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