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Chladnische Klangfiguren

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Chladnische Klangfiguren
Alternativtext

Chladnische Klangfiguren

Kurzbeschreibung
Das Schwingungsverhalten einer Fläche kann mit diesem Experiment veranschaulicht werden.
Kategorien
Mechanik , Akustik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 9/10 Wahlbereich, Sek II
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment, Schülereinzelexperiment
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Lisa Laudan
Kontakt: \text{laudanli}@\text{cms.hu-berlin.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Nico Westphal
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Chladnische Klangfiguren wurden nach Ernst Florens Friedrich Chladni benannt. Der deutsche Physiker veröffentliche 1787 seine "Entdeckungen über die Theorie des Klanges", in denen er darstellte, wie die Klangfiguren entstehen und wie man sie erzeugen kann. Eine dünne Metallplatte, die mit Sand bestreut ist, wird mithilfe eines Geigenbogens zum Schwingen angeregt. Es entstehen je nach Anregung verschiedene Muster. Der Sand bewegt sich zu den Schwingungsknoten, bleibt hier liegen und wandert von den Schwingungsbäuchen weg. Chladni konnte mit diesem Experiment das Schwingungsverhalten von Flächen demonstrieren. Das Volk war zu seiner Zeit davon sehr begeistert, so dass Chladni sich seinen Lebensunterhalt damit verdienen konnte, indem er dieses Experiment vorführte.


Didaktischer Teil

Die Thematik der Schwingungen zählt nicht gerade zu den Beliebtesten bei den Schülern im Physikunterricht. Mithilfe dieses Experiments hat man die Möglichkeit, die Physik und die Musik miteinander zu verbinden. Der Versuch eignet sich in Klasse 9/10 im Wahlbereich "Schwingungen, die man hört". Auch in der Sek II besteht die Möglichkeit über Musikinstrumente zu sprechen, wobei hier weniger die Schwingungen, sondern eher die Schallausbreitung im Vordergrund steht. Die Schüler werden über dieses Experiment, bei dem eine schwingende Fläche sichtbar gemacht wird, staunen können.

Man kann bei diesem Experiment die Geschichte des Herrn Chladni mit einbeziehen, indem man sich in seine Rolle begibt, während die Schüler die Rolle des Volkes einnehmen. Es empfiehlt sich den historischen Kontext, wenn möglich, mit einzubeziehen, da somit verstärkt das Interesse der Schüler geweckt wird.

Außerdem lässt sich bei diesem Experiment ein Alltagsbezug herstellen, denn höchstwahrscheinlich Jedem ist das Instrument, die Gitarre, bekannt. Hierbei weckt man vor allem das Interesse der Schüler, die selbst Gitarre spielen oder allgemein musikalisch sind.

Des Weiteren liefert dieses Experiment den Grundstein einer praktischen Anwendung, dem Instrumentenbau.

Das Experiment hat den Vorteil, dass es mit wenig Aufwand aufgebaut und durchgeführt wird und die Schüler trotzdem verblüffen und faszinieren kann. Dieser Versuch eignet sich zu Beginn einer Lerneinheit, da hier das Interesse der Schüler geweckt wird und somit der Grundstein dafür gelegt ist, das sie dem weiteren Verlauf des Unterrichts aufmerksam folgen.




Versuchsanleitung

Aufbau

Für das Experiment mit den Chladnischen Klangfiguren benötigt man:

  • dünne Metallplatten (mit runder oder quadratischer Fläche, beliebige Größen)
  • zugehörige Materialien zur Befestigung der Platte
  • Sand
  • Geigenbogen


Durchführung

Die Platte wird gleichmäßig mit Sand bestreut und anschließend mit dem Geigenbogen zu Schwingungen angeregt. Dies kann an unterschiedlichen Stellen geschehen. Außerdem besteht auch die Möglichkeit, die Platte zwischen zwei Knoten festzuhalten und erneuert anzuregen, um das Sandmuster noch deutlicher zu erkennen. Es bedarf einiger Übung mit dem Geigenbogen, um einen klingenden Ton zu erzeugen und ein schönes Muster zu erhalten. Schüler können dies auch einmal selber ausprobieren.


Beobachtungen

Je nach Anregung und Festhalten der Platte entstehen unterschiedliche Sandmuster.

Weiterhin wird deutlich, dass der Sand an Orten hoher Bewegung der Platte (sog. Schwingungsbäuchen) zu Orten mit niedriger Bewegung (sog. Schwingungsknoten) wandert und sich dort ansammelt.


Auswertung

Die entstandenen Muster kann man mit Chladnis Mustern vergleichen. Seine Muster findet man in seiner Schrift "Entdeckung über die Theorie des Klanges" wieder. (Vgl. Literatur 1. , S. 109)

Hier sind einige Beispiele von Chladnis Mustern von einer quadratischen Fläche (links) und einer runden Fläche (rechts).


Beispiele von Chladnis Mustern einer quadratischen Platte
Beispiele von Chladnis Mustern einer runden Platte



Man kann hierbei feststellen, dass je höher der Ton ausfällt, umso komplexere Muster entstehen. Allerdings erzeugt eine bestimmte Frequenz nicht unweigerlich auch ein bestimmtes Muster. Das Muster hängt von mehreren Faktoren ab: der Erregerfrequenz, sowie der Plattenform und deren Befestigung.


Das Ergebnis dieses Versuchs sind Knotenlinien und Bäuche mit interessanten Symmetrien. Durch ungleichmäßige Sandverteilung bilden sich die Figuren nicht perfekt aus, dennoch sind die Muster durchaus gut erkennbar (vgl. Sandmuster einer runden bzw. quadratischen Platte).

Sandmuster einer quadratischen Platte
Sandmuster einer runden Platte






Entstehung der Klangfiguren

Die Platte wird zum Schwingen angeregt und es bilden sich stehende Wellen. Sobald die Frequenz einer Eigenschwingung erreicht ist, wird die Schallwelle am Plattenende oder an der Aufhängung reflektiert. Auf den Schwingungsbäuchen bewegt sich der Sand besonders stark, hingegen er auf Schwingungsknoten liegen bleibt. Der Sand bewegt sich also von den Bäuchen zu den Knoten. Es bilden sich allerdings keine Knotenpunkte, sondern Knotenlinien, da die Platte zweidimensional ist. Bei jeder Frequenz bildet sich ein anderes charakteristisches Bild.


Bezug zum Alltag

Das Schwingungsverhalten einer Fläche begegnet uns auch bei der Gitarre. Diese besitzt ebenfalls eine Fläche, die zum Schwingen angeregt wird.

Des Weiteren ist das Experiment nützlich für den Instrumentenbau. Hier wird zum Beispiel bei der Gitarre und der Geige darauf zurückgegriffen. Damit die Gitarren- oder Geigendecke ein optimales Schwingungsverhalten aufweist, werden die Decken an einen Frequenzgenerator angeschlossen und ebenfalls mit Sand bestreut. Für die jeweiligen Frequenzen müssen sich bestimmte Sandmuster auf der Decke bilden.


einige Beispiele von Sandmustern einer Gitarrendecke



Sicherheitshinweise

Der Sand kann von der Platte herunterfallen. Daher sollte nach dem Experimentieren darauf geachtet werden, diesen wieder zu entfernen, um eine Rutschgefahr auszuschließen.


Bemerkung zum Experiment

Das Experiment lässt sich auch mit einem Frequenzgenerator durchführen. Hier hat man dann den Vorteil, dass man bestimmte Frequenzen einstellen kann und somit noch weitere Beobachtungen machen kann. Um den historischen Kontext des Experimentes in den Unterricht einfließen zu lassen, empfiehlt es sich jedoch auf Chladnis Methode zurückzugreifen um das Experiment ursprünglicher zu gestalten.


Literatur


1. http://echo.mpiwg-berlin.mpg.de/ECHOdocuView?mode=imagepath&url=/permanent/library/5M6VYMSC/pageimg

2. http://www.windmusik.com/html/chladni.htm

3. http://www.experiminta.de/chladni-klangfiguren.html

4. http://www.physik.uni-regensburg.de/infra/vorlvorb/VorlVorb/Versuche/VK_11_1_3_F.htm

5. https://lp.uni-goettingen.de/get/text/3801