에른스트 클라드니

에른스트 플로렌스 프리드리히 클라드니(Ernst Florens Friedrich Chladni, 1756년 11월 30일 – 1827년 4월 3일)는 독일의 물리학자이자 음악가이다. 그는 때때로 음향학의 아버지로 불리며, 그의 가장 중요한 업적은 진동하는 판에 대한 연구와 다양한 기체의 음속 계산을 포함한다. 그는 또한 운석 연구에서 선구적인 작업을 수행했으며 일부에서는 운석학의 아버지로 여겨지기도 한다.

 어린 시절 
섬네일|left|1787년 "음향 이론의 발견" 복사본 표지

클라드니는 작센의 비텐베르크에서 태어났지만, 그의 가족은 당시 헝가리 왕국의 일부였고 오늘날 슬로바키아 중부의 광산 도시인 크렘니차 출신이다. 따라서 클라드니는 독일인, 헝가리인 및 슬로바키아인으로 식별되었다.

클라드니는 학자들과 학식 있는 사람들로 이루어진 교육받은 가정 출신이다. 클라드니의 증조부인 루터교 성직자 게오르크 클라드니(Georg Chladni, 1637~1692)는 반종교 개혁 기간인 1673년에 크렘니차를 떠났다. 클라드니의 할아버지 마르틴 클라드니(Martin Chladni, 1669~1725) 또한 루터교 신학자였으며, 1710년에는 비텐베르크 대학교의 신학 교수가 되었다. 그는 1720~1721년에 신학 학부의 학장을 지냈고 나중에 대학교의 총장이 되었다. 클라드니의 삼촌인 유스투스 게오르크 클라드니(Justus Georg Chladni, 1701~1765)는 대학교의 법학 교수였다.
또 다른 삼촌인 요한 마르틴 클라드니(Johann Martin Chladni, 1710~1759)는 신학자, 역사가이자 에를랑겐 대학교와 라이프치히 대학교의 교수였다.

클라드니의 아버지 에른스트 마르틴 클라드니(Ernst Martin Chladni, 1715~1782)는 법학 교수이자 비텐베르크 대학교의 총장이었다. 그는 1746년에 그곳 법학부에 합류했다. 클라드니의 어머니는 요한나 소피아였고 그는 외동이었다. 그의 아버지는 아들의 과학에 대한 관심을 반대했고 클라드니가 변호사가 되어야 한다고 주장했다.

 경력 

클라드니는 비텐베르크와 라이프치히에서 법학과 철학을 공부했으며, 1782년 라이프치히 대학교에서 법학 학위를 취득했다. 같은 해에 아버지가 사망하자 그는 본격적으로 물리학에 뛰어들었다. 그는 1783년부터 1792년까지 비텐베르크 대학교에서 법학, 수학, 자연 과학 강의를 했다. 이 기간 동안 그는 음향학에 대한 첫 실험을 시작했다.

 클라드니 도형 
섬네일|left|클라드니 도형을 만드는 클라드니의 방법
섬네일|중앙이 지지된 직사각형 판의 클라드니 도형
섬네일|같은 판의 다른 모드

클라드니의 가장 잘 알려진 업적 중 하나는 단단한 표면에서 다양한 진동 모드를 보여주는 기술을 발명한 것인데, 이는 다양한 모드에 의해 생성되는 다양한 모양이나 패턴 때문에 클라드니 도형 또는 클라드니 패턴으로 알려져 있다. 공명할 때, 판이나 막은 반대 방향으로 진동하는 영역으로 나뉘며, 진동이 발생하지 않는 선(마디선)으로 경계가 정해진다. 클라드니는 1680년 7월 8일에 유리판의 진동과 관련된 마디 패턴을 관찰했던 로버트 훅의 선구적인 실험을 반복했다. 훅은 밀가루로 덮인 판의 가장자리를 따라 바이올린 활을 문질러 마디 패턴이 나타나는 것을 보았다. 훅은 이미 9년 전인 1671년에 이를 관찰했으며, 차례로 프랜시스 베이컨의 실바 실바룸(Sylva Sylvarum)에서 읽은 제안에서 영감을 받았다. 거기서 베이컨은 물이 채워진 유리잔의 가장자리를 문질러 물이 "튀어 오르고 흩뿌려지는" 것을 관찰하는 것을 묘사한다. 훅은 1680년에 이를 왕립학회에 발표했지만, 후속 조치는 없었다.

클라드니의 기술은 1787년 그의 저서 《음향 이론의 발견(Entdeckungen über die Theorie des Klanges)》에서 처음 발표되었는데, 표면이 모래로 가볍게 덮인 금속 조각 위로 활을 긋는 것으로 구성되었다. 판이 공명에 도달할 때까지 활을 그으면, 진동으로 인해 모래가 움직여 표면이 정지 상태인 마디선을 따라 모여 마디선을 윤곽을 그린다. 이 선들에 의해 형성된 패턴이 오늘날 클라드니 도형이라고 불리는 것이다. 유사한 마디 패턴은 패러데이 파동 위에 미세 물질을 조립함으로써도 찾을 수 있다.

클라드니는 1808년 파리 학술원을 방문하여 프랑스의 주요 과학자들뿐만 아니라 나폴레옹 자신도 포함된 청중 앞에서 진동 패턴을 시연했다. 나폴레옹은 최고의 수학적 설명에 대해 상금을 걸었다. 소피 제르맹의 답은 결함으로 인해 거부되었지만, 올바른 접근 방식을 가진 유일한 응답이었다.

이 기술의 변형은 바이올린, 기타, 첼로와 같은 음향 악기의 설계 및 제작에 여전히 일반적으로 사용된다. 20세기부터는 더 정확하게 주파수를 조절하기 위해 전자 신호 발생기로 구동되는 확성기를 판 위 또는 아래에 배치하는 것이 더 일반적이 되었다.

양자 역학에서 클라드니 도형("마디 패턴")은 단일 전자 원자에 대한 슈뢰딩거 방정식의 해와 관련이 있는 것으로 알려져 있으며, 이를 설명하는 수학은 에르빈 슈뢰딩거가 전자 궤도를 이해하는 데 사용되었다.

 악기 
섬네일|기타 뒷판의 클라드니 패턴
섬네일|클라비실린드로

적어도 1738년부터 다양한 양의 물을 채운 맥주잔으로 만든 글라스피엘(Glasspiel) 또는 베릴론(verrillon)이라는 악기가 유럽에서 인기를 끌었다. 맥주잔은 숟가락 모양의 나무 망치로 두드려 "교회 음악 및 기타 엄숙한 음악"을 연주했다. 벤저민 프랭클린은 1757년 런던을 방문했을 때 베릴론 연주에 깊은 인상을 받아 1762년에 자신의 악기인 유리 하모니카를 만들었다.
프랭클린의 하모니카는 클라드니가 만든 두 가지를 포함하여 여러 다른 악기에 영감을 주었다. 1791년, 클라드니는 다양한 음높이를 연주하는 데 사용되는 유리 막대로 구성된 유폰(euphon, 금관 악기 유포니움과 혼동하지 말 것)이라는 악기를 발명했다. 클라드니의 유폰은 현대 악기인 크리스탈 바셰의 직접적인 조상이다. 클라드니는 또한 훅의 "음악 실린더"를 개선하여 1799년에 또 다른 악기인 클라비실린드로를 만들었다.

클라드니는 그의 악기들을 가지고 유럽 전역을 여행하며 시연했다.

 운석학에 대한 기여 

클라드니는 1791년 11월 괴팅겐 하늘에서 게오르크 크리스토프 리히텐베르크가 보았다고 하는 화구에 대해 그와 대화한 후 운석학에 관심을 갖게 되었다. 이 보고서에 영감을 받아 클라드니는 지난 세기 동안 유럽과 북미에서 유사한 현상에 대한 보고서뿐만 아니라 다른 낙하 물질에 대한 보고서를 연구했다. 이러한 목격 사례들의 일관성을 바탕으로 그는 화구와 낙하 물질 현상이 진짜임에 틀림없다고 결론 내렸다.

이는 그가 1794년에 "팔라스가 발견한 철 질량과 이와 유사한 다른 것들의 기원 및 이와 관련된 몇 가지 자연 현상에 대하여"(Über den Ursprung der von Pallas gefundenen und anderer ihr ähnlicher Eisenmassen und über einige damit in Verbindung stehende Naturerscheinungen)라는 책을 출판하게 했다. 이 책에서 그는 운석이 외계 기원이라고 제안했다. 그는 이것이 낙하하는 질량의 높은 속도를 설명하고 질량과 화구를 연결할 것이라고 주장했다. 그들은 지구 대기에 진입할 때 강렬하게 밝게 빛난다. 그는 이 운석들이 더 큰 질량의 형성에서 결코 통합되지 않았거나 행성의 형성 및 파괴로 인한 잔해라고 가설을 세웠다. 이는 당시 논란이 되는 주장이었다. 왜냐하면 운석은 화산 기원이라고 생각되었기 때문이다. 또한, 그의 주장은 달 너머에는 다른 별과 행성 외에는 아무것도 존재하지 않는다는 확립된 믿음에 도전했다. 실제로, 이 우주의 가상의 공허함은 클라드니가 어렸을 때 소행성대가 존재한다고 알려진 화성과 목성 사이의 비교적 큰 거리에 대해 배웠을 때 그를 매료시켰다. 이 관찰은 운석의 기원에 대한 그의 설명에 영향을 미쳤다.

클라드니의 책은 처음에 리히텐베르크를 포함한 동시대 물리학자들에게 비웃음을 받았다. 그러나 그의 저술은 결국 더 많은 연구자들이 그의 이론을 지지하게 되는 호기심을 불러일으켰다. 1795년, 잉글랜드 요크셔의 울드 뉴턴 근처 작은 집에서 큰 석질 운석이 지구로 떨어지는 것이 관찰되었고, 그 중 한 조각인 울드 코티지 운석은 영국인 화학자 에드워드 하워드에게 주어졌다. 하워드는 프랑스인 광물학자 자크 드 부르농과 함께 그 구성 성분을 주의 깊게 분석하고 외계 기원이 유력하다고 결론지었으며, 이 표본이 시에나에서 일찍 발생한 유성우의 운석 표본과 강한 유사성을 보인다고 언급했다. 이 사건은 수백 킬로미터 떨어진 베수비오산의 분출에 기인한 것으로 여겨졌지만, 울드 뉴턴과 같은 범위 내에는 유사한 화산이 없었으며, 가장 가까운 곳은 아이슬란드의 헤클라산이었다. 1803년, 프랑스 내무부 장관의 위촉을 받은 물리학자이자 천문학자 장바티스트 비오는 프랑스 북부 레글 상공의 유성우를 조사하여 마을에 수천 개의 운석 조각이 흩뿌려진 것을 확인했다. 클라드니의 책과 하워드와 드 부르농의 과학 출판물과는 달리, 비오의 생생한 보고서는 인기를 얻었고 더 많은 사람들이 클라드니의 통찰력을 진지하게 받아들이도록 설득했다.

클라드니의 통찰력으로 인해 이 분야의 일부 사람들은 그를 "운석학의 아버지"라고 불렀고, 다른 사람들은 이 분야에 대한 클라드니의 공헌에 대해 더 보수적인 평가를 내렸다.

클라드니는 다음 몇십 년 동안 운석 목격 기록을 계속 발전시켰고, 운석 표본 컬렉션을 수집했다. 그는 이 컬렉션을 1827년 베를린 대학교 광물학 박물관에 기증했으며, 현재 베를린 훔볼트 대학교 자연사 박물관에 소장되어 있다.

1993년 칼턴(IIICD) 철운석에서 처음으로 기술된 광물은 그의 이름을 따서 로 명명되었다.

 기타 업적 

클라드니는 판 및 기타 물체의 자유 진동 모달 주파수를 근사화하는 간단한 대수 관계인 클라드니의 법칙을 발견했다.

클라드니는 오르간 파이프에 기체를 넣고 파이프를 연주할 때 나오는 소리의 특성을 측정하여 다른 기체 내의 음속을 추정했다. 이는 1635년 피에르 가상디가 시작한 공기 중 음속 측정 연구를 기반으로 한다.

 사망 

클라드니는 1827년 4월 3일, 당시 프로이센 왕국의 일부였고 오늘날 폴란드 남서부의 브로츠와프인 브레슬라우에서 사망했다.

 저서 

 섬네일|1787년 "음향 이론의 발견" 복사본 첫 페이지Entdeckungen über die Theorie des Klanges, 라이프치히 1787.
 Die Akustik, 라이프치히 1802. 프랑스어 번역: Traite d'acoustique, 파리 1809. 또한 Neue Beiträge zur Akustik, 라이프치히 1817에도 수록.
 Beiträge zur praktischen Akustik und zur Lehre vom Instrumentbau, 라이프치히 1821 ().
 , 라이프치히/리가 1794.
 Über Feuermeteore, 빈 1820.
 Über die Hervorbringung der menschlichen Sprachlaute, 라이프치히 1824.
 Kurze Übersicht der Schall und Klanglehre, nebst einem Anhange die Entwickelung und Anordnung der Tonverhältnisse betreffend, 마인츠 1827.

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 같이 보기 







 각주 

 더 읽어보기 

 Jackson, Myles W. (2006) Harmonious Triads: Physicists, Musicians, and Instrument Makers in Nineteenth-Century Germany (MIT Press).

 Rossing T. D. (1982) Chladni's Law for Vibrating Plates, American Journal of Physics 50, 271–274

 외부 링크 

 Short biography, bibliography, and links on digitized sources in the 막스 플랑크 과학사 연구소의 가상 연구실
 Die Akustik, 1802 by Ernst Chladni at Universities of Strasbourg
  (2008년 5월 31일 접속)
  (2014년 5월 18일 접속)
 원형, 사각형, 경기장 모양 판 및 바이올린 모양의 예시
 클라드니 판
 전자기적으로 구동되는 클라드니 판
 바이올린 제작에서의 클라드니 패턴 활용
 기타 판의 클라드니 패턴
 교실용 클라드니 판 제작 방법 설명
 클라드니의 다른 사진들은 이 사이트와 과학 및 사회 사진 라이브러리에서 볼 수 있다.

 Monoskop.org의 에른스트 클라드니

분류:1827년 사망
분류:1756년 출생
분류:작센 선제후국 출신
분류:슬로바키아계 독일인