V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Физика гитары
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Проблематика проекта:
Изучить физику гитары
Актуальность проблемы:
Использование законов физики для грамотного сочинения мелодий на гитаре
Задачи проекта:
Научиться работать с устройством LabQuest, используя программное обеспечение Logger Pro, для получения графиков колебаний с последующим анализом
Изучить физику звуковых колебаний и стоячих волн
Определить практическое применение полученных знаний
Цель проекта:
1) Изучить физику гитары.
2) Исследовать характеристики звука с помощью графиков, полученных в программе Logger Pro.
3)Исследовать условия возникновения стоячей механической волны.
Использование литературных материалов и степень изученности данного вопроса:
С помощью элементарного учебника физики под редакцией академика Г.С.Ландсберга и учебника «Курс физики» Б.М.Яворского и А.А.Детлафа удалось систематизировать приобретенные знания, составить план, по которому выполнялась исследовательская работа. Изначально степень изученности данной работы была недостаточной для отчетливого представления о проблематике темы. Но благодаря ознакомлению со специальной литературой и интернет-источниками, были выделены и исследованы основные положения работы. Все измерения и полученные по ним графики были выполнены мною самостоятельно.
Для исследования я использовала оборудование:
1) Микрофон 2) LabQuest 3) Программа Logger Pro 4) Электронный усилитель мощности 5) Набор аксессуаров для усилителя мощности 6) Камертоны
7) Гитара
Основные этапы работы:
1) Выбор темы работы и обоснование этого выбора 2) Разбор теории работы 3) Проведение исследований 4) Оформление работы. Подготовка презентации для представления проекта
Представление исследовательской работы на городской научно-практической конференции школьников «Физика вокруг нас»
Оглавление
1 этап.Исследование характеристик звука. 5
2 этап.Создание стоячей механической волны. 8
3 этап.О струнах 10
4 этап.Ноты, созвучия и аккорды. 12
5 этап.Акустический резонатор. 13
6 этап.Рассмотрим подробнее устройство гитары. 14
Используемая литература15
Гитара – притягательный инструмент для людей разных поколений, разных возрастов, разных вкусов. Есть народы, испытывающие особое пристрастие к гитаре, например, испанцы. Эту любовь к гитаре, тонкое понимание ее многогранного и богатого звучания ярко выразил известный испанский поэт Федерико Гарсиа Лорка, Например, в своем известном стихотворении «Гитара»:
Тебе не первой, тебе не первой предъявлен веком нелёгкий счёт. Моя гитара, мой спутник верный, давай хоть дождь смахну со щёк.
В России распространение игры на гитаре было связано со становлением традиции городского романса. Во второй половине ХХ века гитарная традиция была оживлена и развита направлением авторской песни, когда поэты сочиняли текст, потом музыку к нему и сами исполняли песню под гитару. Неповторимым талантом исполнения отличались особенно два русских поэта: Булат Окуджава и Владимир Высоцкий. Гитара звучала и неизменно звучит на фестивалях авторской песни. Например, несколько лет подряд такой фестиваль авторской песни проходит под Коломной, в лесу, у станции Пески, куда приезжают и уже признанные поэты, и молодые, дебютные исполнители. Именно гитара, сопровождающая поэтическое слово, создает особую атмосферу теплоты, сердечности, дружеского настроения.
Гитара тот инструмент, который не сразу, но постепенно привлек меня, и я начала учиться игре на гитаре, которая сформировала у меня особое отношение к инструменту, в том числе к его физике.
Итак, что такое звук? Звук- это колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой сферах.
Как возникает звук? Вблизи источника звука возникают сжатие и разрежение воздуха, то есть колебания давления. Возмущение передается от точки к точке, в пространстве распространяется акустическая волна. Она является продольной в газах и жидкостях. Если частота колебаний лежит в диапазоне 16-20000 Гц, мы слышим звук. Мы различаем разные звуки. Чем же они отличаются?
1 этап. Исследование характеристик звука.
Рассмотрим характеристики звука.
Громкость звука - субъективное качество слухового ощущения, позволяющее располагать все звуки по шкале от тихих до громких. Так как звук переносит изменения давления воздуха, можно предположить, что громкость звука связана с амплитудой колебаний давления.
Громкость звучащего камертона постепенно уменьшается. Почему?Если провести по закопченному стеклу иглой, прикрепленной к звучащему камертону, мы увидим, что амплитуда колебаний уменьшается.
Исследуем звук с помощью микрофона и компьютерной программы Logger Pro:
1) Соберем оборудование следующим образом: к LabQuest присоединим провод для подключения к компьютеру и микрофон, затем подключим LabQuest к розетке и откроем программу Logger Pro.
2) Ударим по камертону слабо, держа возле него микрофон, и запишем данные в компьютерной программе, в результате чего получим график данных колебаний.
3) Затемударим по камертону сильнее, тем самым увеличив амплитуду его колебаний, мы услышим более громкий звук. Получим график аналогичным образом.
Вывод: Второй график отличается от первого большим «размахом», т.е. большей амплитудой колебаний. Следовательно, громкость звука определяется амплитудой колебаний тела.
Вторая характеристика звука - высота.
Возьмем 2 камертона и ударим по ним молоточком,
мы слышим разный звук. Сравним графики этих колебаний
колебания камертона с частотой 56 гц 440 гц
Очевидно, что высота звука определяется его частотой: чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук.
И еще одна характеристика звука — это тембр.
Тембром называют особое качество звука, его окраску, характерную для каждого голоса или музыкального инструмента. От чего же зависит тембр звука? Если подключить микрофон и пропеть какую-нибудь мелодию, то на экране осциллографа появится не синусоида, а более сложная кривая(график снизу), это значит, что источник звука совершает несинусоидальные колебания.
Такое колебание может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с разными частотами. Колебания с наименьшей частотой называются основным тоном, а колебания с более высокой частотой называются обертоном или гармоникой. Тембр звука определяет его окраску. Он определяется наличием и интенсивностью обертонов — частот, кратных основной.
Как извлечь звук на гитаре? Вы скажете, надо оттянуть струну и отпустить её. Рассмотрим аналог струны — резиновый шнур, т.к. он колеблется с меньшей частотой, то мы может наблюдать эти колебания.
2 этап. Создание стоячей механической волны.
Соберём установку для получения стоячей механической волны:
1)Прикрепим один
конец резинового резинового шнура к электронному усилителю мощности а другой к штативу, как показано на фото слева. 2) Подключим усилитель мощность к LabQuest последовательно с компьютером. 3) Откроем на компьютере программу Logger Pro и зададим такую частоту, чтобы получилась механическая волна с одной пучностью.
Это частота, равная 5 Гц. Далее поставим частоту 10Гц и получим стоячую волну с двумя пучностями(фото снизу).
Шнур, оттянутый строго посередине, будет совершать колебания. Через каждые пол периода весь шнур оказывается по разные стороны от положения равновесия. На концах шнура образуются узлы, а посередине — пучность, на длине шнура укладывается ровно половина длины волны. Мы видим возникновение стоячей волны.
Стоячие волны образуются в случае наложения двух волн одинаковой амплитуды, фазы и частоты, когда при «встрече» таких волн одна движется в прямом, а другая – в обратном направлении.
Стоячая волна это результат интерференции - явление наложения волн, приводящего к образованию интерференционной картины.
Частота стоячей волны с единственной пучностью называется основной частотой. Стоячие волны с более высокими частотами называются гармониками. Первой гармоникой называют основную частоту, вторая гармоника(фото снизу) имеет частоту, равную удвоенной основной и т.д.
Мы наблюдали стоячую волну в шнуре, как наглядный пример образования стоячей волны в звуковых колебаниях, которые нельзя увидеть, но можно услышать. При ударе по струне в ней тоже возникает стоячая волна с пучностью посередине(1).
3 этап. О струнах
Если бы каждая струна колебалась только с одной частотой, то все гитары имели бы практически одинаковое звучание. Но «голоса» гитар различаются. И во многом благодаря струнам.
Дело в том, что струна, помимо основного колебания, частота которого задается гитаристом при зажатии струны, участвует и в других колебаниях, больших частот и меньших амплитуд. Это кратные частоты. Их набор и определяет тембр. Сложное колебание с разными частотами хорошо заметно на басовых струнах(фото снизу)
В зависимости от упругих свойств материала струны (упругих свойств) эти частоты могут иметь разные амплитуды, т.е. разную громкость звучания на фоне звука основной частоты. А эти свойства определяются материалом, из которого струна изготовлена, ее толщиной, длиной и силой натяжения. Чем толще струна, тем ниже звук (меньше частота). Чем сильнее натянута струна, тем звук выше. Эти параметры задаются уже при установке струн и настройке гитары. При игре гитарист регулирует, по сути, только один параметр – длину струны, пережимая ее в разных местах. Чем меньше рабочая длина струны, тем выше частота колебаний (выше звук). Таким образом, увеличение натяжения струны приводит к повышению частот колебаний.
Сравним графики звуковых колебаний, полученных в программе Logger Pro камертона (ноты ля), (рисунок слева) с графиком этой же ноты, но сыгранной на гитаре (рисунок справа). Нетрудно увидеть, что у камертона синусоидальный график, а у гитары график с такой же частотой, но с некоторыми неровностями — это и есть обертоны.
А если сыграть на гитаре ля на октаву выше или ниже (рисунки слева, справа), то изменится и частота и набор обертонов.
Таким образом, каждая нота, сыгранная на любом инструменте, представляет собой сложный звук, состоящий из основного тона и большого числа обертонов.
4 этап. Ноты, созвучия и аккорды.
Рассмотрим ноты, созвучия и аккорды.
Современный нотный строй таков, что одноименные ноты соседних октав различаются по частоте в 2 раза. Например, «ля» первой октавы соответствует частоте 440 Гц, второй – 880 Гц, третьей – 1320 Гц и т.д. Созвучия, соответствующие разным интервалам, воспринимаются слухом и сознанием по-разному: одни звучат более приятно, другие – менее. Так как каждое созвучие – это одновременное звучание двух основных частот или результат сложения колебаний.
Если мы посмотрим на соотношения частот в разных созвучиях, построенных, например, от ноты «до», то увидим, что они таковы:
до-до диез 277,2 : 261,7 = 1,059...
до-ре 293,7 : 261,7 = 1,122...
до-ре диез 311,1 : 261,7 = 1,188...1,2 = 6 : 5
до-ми 329,6 : 261,7= 1,259... 1,25 = 5 : 4
до-фа 349,2 : 261,7= 1,310... 4 : 3
до-соль 392,0 : 261,7 = 1,498... 1,5 = 3 : 2
до-ля 440,0 : 261,7 = 1,681...
до-си 493,9 : 261,7 = 1,887...
до-до(октава) 523,4 : 261,7 = 2 : 1
Поэтому аккорды - это не случайно подобранные красивые созвучия, а сочетания нот, частоты которых дают отношения целых чисел.
5 этап. Акустический резонатор.
Резонатор предназначен для эффекта усиления вынужденных колебаний, возникающих при несовпадении частот возмущающей силы и собственной частоты. Если поставить звучащий камертон на стол(фото справа), то доска стола приходит в вынужденные колебания и звук усиливается, но это объясняется увеличением площади колеблющейся поверхности, а не совпадением частот.
Но если камертон поставить на специальный резонаторный ящик, длина которого равна четверти длины звуковой волны, создаваемой камертоном, то слышимость звука камертона улучшается из-за резонанса в воздушной среде. Но почему же резонатор камертона — это простой ящик незамысловатой формы, в то время как корпус гитары представляет собой нечто более сложной формы? Дело в том, что если резонатор камертона должен усиливать звук только одной частоты, то резонатор гитары должен усиливать звуки разных частот.
6 этап. Рассмотрим подробнее устройство гитары.
Резонаторный ящик гитары, образованный двумя деками и боковиной, имеет особую форму. Расстояние от розетки до стенок ящика в разных местах разное, что и позволяет воздуху резонировать в ящике на разных частотах.Набор этих частот определяет общий тембр инструмента.
Наличие резонатора необходимо потому, что сама по себе струна плохой источник звука, т.к. она имеет маленькую площадь поверхность, а, следовательно, не может вызвать большие возмущения воздуха. Материал, из которого изготовлен корпус гитары, её форма, и даже лак, которым она покрыта, оказывают большое влияние на звучание инструмента. Знаменитый Страдивари создал гитары с неповторимым звучанием.
Используемая литература:
1. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф, «Курс физики», М.,Высшая школа,1999
2. А.Радзишевский, «Основы аналогового и цифрового звука», Вильямс, 2006
3. Г.С.Ландсберг, элементарный учебник физики, М., Наука, 19754.поисковая система www.google.ru5. http://bibliofond.ru/view.aspx?id=84715