VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Музыка и физика
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Этой осенью я посетил Интерактивную выставку роботов - «Робополис». Мне понравилось «Тесла – шоу». Использовалась компьютерная музыка: искрилась лампа и рука в печатке управляла потоком искр - музыка легко угадывалась, но звуки совершенно были другими, не такими, как я привык слышать раньше. Я понял, что эта мелодия связана с наукой физикой. Я первый год изучаю в школе физику, но её развитие стремительно врывается в жизнь. Мне захотелось узнать, как музыка и физика взаимосвязаны между собой, это и стало целью работы.
Задачи исследования:
1.Рассмотреть вопрос: «Что такое музыка?»
2.Познакомится с вопросом, что такое звук глазами физика.
З. Познакомится с историей, с чудесами физики.
4.Ответить на вопрос «Связь современной физики и музыки».
5. Познакомиться с электрофорной машиной и камертоном. Попробовать сделать музыкальные инструменты по их подобию.
Цель исследования: Ответить на вопрос «Связь современной физики и музыки»?
Предмет исследования: звук
Методы исследования:
1. Изучить разные источники информации.
2. Узнать секреты музыки и физики.
3. Познакомится с электрофорной машиной и камертоном.
Что такое музыка?
Музыка - это неотъемлемая часть человеческой жизни. С музыкой мы встречаемся везде и всюду, хотя часто этого и не замечаем. Мы все любим музыку: одному нравится классика, другой предпочитает современные ритмы. О стилях музыки можно говорить и спорить долго, но у каждого найдется хотя бы одна приятная сердцу и слуху мелодия. Все мы по-своему наслаждаемся музыкой, но каждый ли задумывался над тем, что такое музыка, какой она бывает и почему так нравится людям?
Определение музыки
Само слово «музыка» имеет древнегреческое происхождение, буквально оно переводится "искусство муз", средством воплощения художественных образов для которого являются звук и тишина, особым образом устроенные во времени. В основе музыки всегда будет звук.
Музыку также называют языком звуков. Можно посмотреть на определение музыки с эмоциональной стороны: Музыка – это самая прекрасная вещь на земле, это наши чувства, эмоции, воспоминания, картины природы, одушевленные предметы. Все что нас окружает можно показать, рассказать и выразить музыкой. Музыка – это чудесный дар, данный человечеству. Спросите у разных людей о том, что значит музыка для них, и получите разные ответы. Музыка может быть средством получения наслаждения, способом самовыражения, хобби (когда человек сам сочиняет), делом всей жизни (когда увлечение музыкой очень сильно) и т.д.
Музыку применяют и в научных целях. Учёными доказано, что состояние пациентов намного улучшается, если они во время лечения или курса реабилитации слушают свои любимые композиции. Музыка, песни помогают оживить душу, когда кажется, что все потеряно. Слушая знакомые композиции, многие из людей начинают подпевать, тем самым раскрепощаясь. Таким образом, можно помочь вывести человека из депрессии.
Неврологи уверены, что музыка оставляет неизгладимый опечаток в сознании личности, она пробуждает эмоции, а те, в свою очередь, влияют на память. Недавние исследования показывают, что музыка может улучшить память и даже помочь воссоздать воспоминания.
Именно музыке дано выразить чувства столь сложные, что их порой невозможно описать словами.
Мир глазами физика. Что такое звук?
Человек живет в мире звуков. Звук – это то, что слышит ухо. Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы.
Услышав какой-то звук, мы обычно можем установить, что он дошел до нас от какого-то источника. Рассматривая этот источник, мы всегда найдем в нем что-то колеблющееся. Если, например, звук исходит от репродуктора, то в нем колеблется мембрана – легкий диск, закрепленный по его окружности.
Если звук издает музыкальный инструмент, то источник звука – это колеблющаяся струна или колеблющийся столб воздуха.
Но как звук доходит до нас? Очевидно, через воздух, который разделяет ухо и источник звука. Но распространяющиеся колебания – это волна. Следовательно, звук распространяется в виде волн. Если звуковая волна распространяется в воздухе, значит, это волна продольная, потому что в газе только такие волны и возможны. В продольных волнах колебания частиц приводят к тому, что в газе возникают сменяющие друг друга области сгущения и разрежения.
То, что воздух – «проводник» звука, было доказано опытом, поставленным в 1660 г. Р. Бойлем. Если откачать воздух из-под колокола воздушного насоса, то мы не услышим звучания находящегося там электрического звонка. Звук может также распространяться и в жидкой, и в твердой среде. Ощущение звука создается только при определенных частотах колебаний в волне. Опыт показывает, что для органа слуха человека звуковыми являются только такие волны, в которых колебания происходят с частотами от 20 до 20000 Гц.
Самый низкий из слышимых человеком музыкальных звуков имеет частоту 16 колебаний в секунду. Он извлекается органом. Но применяется не часто – очень басовит. Разобрать и понять его трудно.
Зато 27 колебаний в секунду – тон вполне ясный для уха, хоть тоже редкий. Услышать его можно, нажав крайнюю левую клавишу рояля. Абсолютный «нижний» рекорд мужского баса, поставленный в XVIII веке певцом Каспаром Феспером, – 44 колебания в секунду.
80 колебаний в секунду – обычная нижняя нота хорошего баса и многих инструментов.
Удвоив число колебаний (повысив звук на октаву), приходим к тону, доступному виолончелям, альтам. Здесь отлично чувствуют себя и басы, и баритоны, и тенора, и женские контральто.
А еще октава вверх – и мы попадаем в тот участок диапазона, где работают почти все голоса и музыкальные инструменты. Недаром именно в этом районе акустика закрепила всеобщий эталон высоты тона: 440 колебаний в секунду («ля» первой октавы) – ударяет по ножкам камертона.
Вплоть до 1000–1200 колебаний в секунду звуковой диапазон полон музыкой. Эти звуки – самые слышные. Выше следуют менее населенные «этажи». Легко взбираются на них лишь скрипки, флейты, орган, рояль, арфа. И полновластными хозяйками выступают звонкие сопрано. Вершины женского голоса забрались еще дальше. В XVIII веке Моцарт восхищался певицей Лукрецией Аджуяри, которая брала «до» четвертой октавы – 2018 колебаний в секунду. Француженка Мадо Робен (умершая в 1960 году) пела полным голосом «ре» четвертой октавы – 2300 колебаний в секунду. Еще несколько редких, нехоженых ступенек (доступных разве мастерам художественного свиста) – и музыкальный диапазон кончается.
Звуки выше 2500–3000 колебаний в секунду в качестве самостоятельных музыкальных тонов не используются. Они слишком резки, пронзительны.
Существуют особые источники звука, испускающие единственную частоту, так называемый чистый тон. Это камертоны различных размеров – простые устройства, представляющие собой изогнутые металлические стержни на ножках. Чем больше размеры камертонов, тем ниже звук, который он
испускает при ударе по нему. Это означает, что частота колебаний ножек стала меньше. Значит, высота звука зависит от частоты колебаний. Чем больше частота колебаний, тем выше звук. Школьный камертон испускает звуки с частотой 440 Гц. Это – нота «ля».
Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний.
О звуках различной громкости говорят, что один громче другого не во столько-то раз, а на столько-то единиц. Единица громкости называется децибелом (дБ). Например, громкость звука шороха листьев оценивается 10 дБ, шепота – 20 дБ, уличного шума – 70 дБ. Шум громкостью 130 дБ ощущается кожей и вызывает ощущение боли. О громкости уличного шума, например, можно сказать, что она на 60 дБ больше громкости шороха листьев.
Немного истории, связанной с чудесами физики
Сколько сил нужно потратить, чтобы превратить колебания воздуха в звук! Мастера, изготавливающие музыкальные инструменты, чудесный вкладывают душу и весь опыт, накопленный годами, в свои творения. И мы можем только восхищаться, как они превращают обыкновенные воздушные волны в прекрасную музыку!
Люди с давних времен создают и усовершенствуют различные музыкальные инструменты. В Африке, Южной Америке, Азии несколько столетий назад корпусом для струнных инструментов была обыкновенная тыква, а в арабском двухструнном ребабе для этой цели служит панцирь черепахи. Нубийские людоеды сделали некогда живописный киссар с человеческим черепом. Древние рыбаки всех стран осваивали раковины, гончары – глиняные горшки. Надутые свиные пузыри, берестяные короба – все это человек заставлял подпевать струнам.
Но после тысячи проверок и проб лучшим материалом оказалось дерево. Из него выходили самые звонкие, самые легкие и самые чуткие корпуса струнных инструментов.
Для струн тоже испытывали очень много материалов. И крученая древесная кора, и нити бамбука, и бычьи жилы, и сушеные обезьяньи кишки, и, конечно, металл – разные сорта и сплавы, разная толщина, прочность.
Кроме корпуса и струн, в большинстве инструментов есть еще шейка. Ее с самого начала делали деревянной, зато над формой шейки музыкальные мастера потрудились немало. У африканских предшественников арфы – киссаров, шейки загибались крутыми дугами. Много лет прошло, пока люди догадались, что шейки совсем не обязательно выгибать. Прямая шейка – вот к чему пришла в конце концов музыкальная техника.
Примерно пять тысяч лет назад ассирийцы и вавилоняне свели воедино три изобретения: деревянный корпус, широкую прямую шейку и колки для раздельного натягивания струн. Так родился четырехструнный инструмент, который арабы позднее прозвали «аль-уд» (в буквальном переводе «дерево»). И именно он стал, по существу, первым образцом знаменитой многострунной лютни. Постепенно она покорила Персию, Индию, Китай, а через 22 века – Европу. В Средневековье в жизни европейцев лютня заняла столь же прочное положение, как в наши дни рояль.
Однако через некоторое время гитары, мандолины и, конечно, скрипки постепенно вытеснили лютню с ее места, которое она занимала на протяжении стольких веков, так как по сравнению с простыми и всем доступными новыми инструментами лютня казалась чересчур громоздкой, сложной и безнадежно старомодной.
Эпиграфом к этой странице стали слова И. С. Тургенева: «Я, признаюсь, редко слыхивал подобный голос: он был слегка разбит и звенел, как надтреснутый; он даже сначала отзывался чем-то болезненным; но в нем были и неподдельная глубокая страсть, и молодость, и сила, и сладость, и какая-то увлекательно-беспечная, грустная скорбь. Русская, правдивая, горячая душа звучала и дышала в нем и так хватала вас за сердце, хватала прямо за его русские струны». (Рассказ «Певцы» из «Записок охотника».)
Голосом можно передать тончайшие оттенки душевного состояния человека. Так что же такое человеческий голос?
Вы, наверное, думаете: «Что такое голос, объяснять не надо – это знает всякий». Так? Но слово это имеет не одно значение. Голосом музыканты называют отдельную партию в хоре, ансамбле, оркестре. Но чаще всего голосом называют звуки, производимые голосовым аппаратом и служащие для общения между людьми.
Голоса бывают разные: речевые, певческие, шепотные. Все они в свою очередь характеризуются глубокой индивидуальностью. Например, в исполнении известных оперных певцов, обладавших разными типами певческих голосов:
– «Соловей» А. А. Алябьева в исполнении В. В. Барсовой - колоратурное сопрано;
– романс П. П. Булахова «Не пробуждай воспоминаний» в исполнении Н. А. Обуховой-меццо-сопрано;
– песенка герцога из оперы Дж. Верди «Риголетто» в исполнении И. С. Козловского- лирический тенор;
– ария Гремина из оперы П. И. Чайковского «Евгений Онегин» в исполнении М. О. Рейзена -бас.
Чем вообще различаются наши голоса, ведь мы чаще всего безошибочно узнаем человека по его голосу? Человеческие голоса отличаются индивидуальной окраской, высотой, громкостью, особенностями произношения слов и т. д. Все эти специфические качества человеческого голоса объясняются уникальностью голосового аппарата, то есть системы органов, служащей для образования звуков голоса и речи. Размеры голосовых связок определяют тип голоса.
Во второй половине XX века возникло новое явление художественной культуры – рок-музыка. Становление рок-музыки как музыкального явления происходило в тесном взаимодействии с общественными движениями, отстаивавшими права молодежи, расовое и социальное равенство, отказ от применения военной силы. Эта музыка во многом изменила мировоззрение и образ жизни американцев и европейцев.
Первым направлением рок-музыки, завоевавшим международную известность в середине 50-х годов XX века, стал рок-н-ролл (от английского слова «раскачиваться и вращаться»). Рок-н-ролл – это, прежде всего, танцевальная музыка. Самый яркий представитель этого направления Элвис Пресли. В конце 50-х в Англии, куда увлечение рок-н-роллом пришло из США, появились собственные исполнители, музыку которых называли «биг-бит» или просто «бит». Наиболее выдающиеся представители этого направления – группа «Битлз».
Как правило, рок-музыканты используют электроинструменты, но рок может быть и акустическим, и синтезированным, и даже чисто вокальным.
В состав инструментов рок-группы обычно входят одна или две электрогитары, ритм-секция (бас-гитара и ударная установка); иногда есть клавишные в виде органа, электрооргана или синтезатора.
Чтобы озвучить рок-группу на концерте или репетиции, необходимы технические устройства. Микрофоны преобразуют голоса и звуки музыкальных инструментов для последующего усиления. Усилители вырабатывают звук необходимой громкости и передают суммарный сигнал на мощную акустическую систему.
Распространившиеся в 80-х годах компьютеры, компьютеры и компакт-диски значительно повысили качество звукозаписи. Одновременно они снизили требования к профессиональному уровню музыкантов и певцов. Композитор получил возможность при помощи компьютера использовать уже созданные музыкальные заготовки, а исполнитель – не переписывать неудачную партию, а исправить ошибки прямо на дисплее компьютера. Появившиеся в те же годы видеоклипы во многом способствовали превращению музыкального творчества в производство, а популярных исполнителей – в коммерсантов.
4. Связь современной физики и музыки
Мы не только живём в мире музыки, музыка живёт внутри каждого из нас. Мы можем считать физику прародительницей музыки, но нужно помнить, что музыка сопровождала многие великие открытия этой науки. Знайте, что многие знаменитые ученые физики увлекались музыкой и виртуозно играли на различных музыкальных инструментах. Некоторые из них стояли перед выбором: заниматься физикой или искусством, и лишь по случайности они всё же отдавали предпочтение физике, но через всю свою жизнь проносили любовь к музыке.
Макс Планк немецкий физик, основоположник квантовой теории, член Берлинской АН (1894) был великолепным пианистом, он часто играл камерные произведения со своим другом Эйнштейном.
Альберт Эйнштейн немецкий физик, основоположник СТО прекрасно играл на скрипке. В 1934 году на благотворительном концерте Эйнштейн перед 264 слушателями дал концерт на скрипке. Сбор с этого концерта (6500 долларов) пошел в пользу ученых-эмигрантов из гитлеровской Германии.
Людвиг Больцман австрийский физик - теоретик, основатель статистической механики и молекулярно – кинетической теории, говорил: «То, чем я стал, я обязан Шиллеру», преклонялся перед Моцартом и Бетховеном, часто устраивал дома музыкальные вечера и сам играл на рояле.
Блестящим скрипачом и художником был ленинградский физик-теоретик Я. И. Френкель. Совсем отсюда и не следует, что любой одаренный физик будет талантливым музыкантом.
Он может быть, например, талантливейшим исследователем иконописи. Есть пример и известный.
Но талантливый человек может быть талантлив во многих вещах.
Случалось, что талантливейший химик, морской офицер становились великими симфонистами.
Кстати, где сказано, что Эйнштейн гениально играл на скрипке или великий Шерлок Холмс не пилил ли чудовищно.
А научиться играть на любом инструменте может любой очень желающий этого, даже и не будучи физиком.
Кстати, об этом написано у Шагинян в ее письме съезду композиторов. Музыка в частности, и любой другой звук вообще, это волна, распространяющаяся в воздухе. Именно физические свойства этой волны и отличают музыку от шума, речь человека от рычания тигра. Есть категория “меломанов” для которых существенна только одна из характеристик волны – амплитуда, т.е. максимальное смещение частиц воздуха относительно положения равновесия. Амплитуда волны определяет громкость звука, чем больше – тем громче. Еще одна физическая характеристика это частота звука. Она показывает, сколько колебаний совершают частицы воздуха за одну секунду. Каждой музыкальной ноте соответствует своя определенная частота. При настройке музыкального инструмента как раз добиваются именно того, чтобы он издавал звуки нужной частоты. Правильный набор следующих друг за другом нот, т.е. частот колебаний определяет мелодию. Один мотив звучит абсолютно по-разному, если он играется на разных инструментах. Физики объясняют это тембром звука. С этим понятием разобраться чуть сложнее. Дело в том, что любое сложное колебание можно разложить на множество простейших, имеющих синусоидальную форму. Наибольшую амплитуду в этом случае будет иметь колебание с наименьшей частотой, той самой частотой, которая определяет тональность звука. Другие колебания будут иметь гораздо меньшую амплитуду и частоты кратные основной. Эти колебания называют обертонами. Для любого музыкально инструмента набор обертонов уникален, примерно как штрих код на упаковке. По нему мы и отличаем гитару от скрипки, мужской голос от женского. Все эти физические характеристики можно померить физическими приборами. Методами математики, можно разложить любое сложное
Знакомство с электрофорной машиной и камертоном и попробовать сделать музыкальные инструменты
Мне захотелось изучить изучить электрофорную машину, потому что он мне напомнила музыкальный инструмент- трещотку
Что такое электрофоная машина?
Электрофорная машина – это генератор статического заряда, состоящий из двух колес, вращающихся во взаимно противоположных направлениях. Часто используется учителями на уроках физики для устрашения занимающихся силой электрической дуги.
История создания электрофорной машины
Первая электростатическая машина появилась около 1650 г. Ее сконструировал немецкий ученый, бургомистр Магдебурга Отто фон Герике. Работа этой машины основывалась на явлении электризации тел трением.
В дальнейшем было создано большое количество разнообразных конструкций электрических машин трения, но все они имели общий существенный недостаток: работа с такими машинами требовала приложения очень больших физических усилий.
Электрофорная машина была создана в 1865 немецким физиком-экспериментатором Августом Теплером. Одновременно с Теплером и независимо от него электрофорную машину изобрёл другой немецкий физик Вильгельм Гольц (1836-1913).
Машина Гольца по сравнению с машиной Теплера позволяла получать большую разность потенциалов и могла использоваться в качестве источника постоянного электрического тока.
В то же время она имела более простую конструкцию. Между 1880 и 1883 годом её усовершенствовал английский изобретатель Джеймс Вимшурст. Используемые в настоящее время для демонстраций электрофорные машины представляют собой модификации машины Вимшурста.
Описание работы
Машина состоит из двух соосных дисков (А и В) из изолирующего материала, на которые нанесены проводящие секторы. Диски приводятся во встречное вращение с равной угловой скоростью.
Предположим, что сектор A1 вначале несёт небольшой избыточный положительный заряд, а сектор B1 — отрицательный. Когда A1 движется влево, а B1 — вправо, их потенциалы растут за счёт работы, выполняемой против силы их электростатического притяжения.
Когда A1 достигает положения напротив сектора B2 пластины B, который в этот момент контактирует со щёткой Y, он будет под высоким положительным потенциалом и, таким образом, вызовет разделение заряда в проводнике, соединяющем Y и Y1, перенеся большой отрицательный заряд на B2 и большой положительный заряд на удалённый сектор, которого в этот момент касается щётка Y1.
Двигаясь дальше, A1 касается щётки Z и частично разряжается во внешнюю цепь (нагрузкой может быть, например, лейденская банка). При последующем вращении дисков, А1 касается щётки X, которая связана проводником со щёткой X1, и снова получает заряд, на этот раз отрицательный, который отталкивается отрицательно заряженным сектором B2 (находящимся в этот момент напротив сектора на диске А, контактирующего со щёткой X1).
Таким образом, положительный заряд переносится справа налево верхней частью диска А, а отрицательный слева направо его нижней частью.
Что такое камертон
Камерто́н (нем. Kammerton — «комнатный звук») — инструмент для фиксации и воспроизведения эталонной высоты звука[1], которая также называется словом «камертон».
В исполнительской практике применяется для настройки музыкальных инструментов, хористов и др. Существуют механические, акустические и электронные камертоны.
История
В 1711 году придворный трубач английской королевы Джон Шор изобрёл необходимый всем музыкантам и настройщикам музыкальных инструментов нехитрый предмет, похожий на металлическую вилочку с двумя зубцами.
Эта «вилочка» была названа камертоном.
Если ударить по камертону, его концы начинают колебаться и раздается звук, который служит эталоном высоты при настройке музыкальных инструментов и в пении. Камертон, изобретённый Шором, давал 419 колебаний в секунду.
Издаваемый камертоном звук было решено присвоить ноте ля, от неё и настраивали все другие звуки.
У многих струнных инструментов, чаще всего у скрипки, при изменении температуры натяжение струн меняется, поэтому скрипачам приходится часто подтягивать струны, и камертон тут незаменим. Современный настроечный инструмент камертон издаёт звук ля 1-й октавы частотой 440 Гц.
В наши дни симфонические оркестры редко пользуются камертоном. В оркестре роль камертона выполняет деревянный духовой инструмент гобой, поскольку в его конструкции температура не влияет на музыкальный строй и его нота ля всегда устойчива.
Но если с оркестром играет рояль, то все инструменты оркестра настраивают уже по роялю, а рояль перед концертом должен быть хорошо настроен по камертону.
Так как мне напомнила машина трещотку …то по принципу: кручу ручку, издается звук.
Я сделал трещотку при помощи велосипеда. Звук не напоминал машину, но брату понравилось изобретение. Позже извлек ноту «ля» при помощи камертона ,и пытался делать разные музыкальные инструменты ,но такой чистой ноты у меня тоже не получилось….
Заключение
Сколько сил нужно потратить, чтобы превратить колебания воздуха в чудесный звук! Мастера, изготавливающие музыкальные инструменты, вкладывают душу и весь опыт, накопленный годами, в свои творения. И мы можем только восхищаться, как они превращают обыкновенные воздушные волны в прекрасную музыку!
Музыка - это звуковые колебание воздуха (в вакууме не может быть музыки), а один из разделов физики изучает звуковые колебания. В этом их общее. С развитием музыкальной механики в синтезаторах и других современных инструментах используется все больше различных физических спецэффектов, и чем дальше будет совершенствоваться физика, тем дальше пойдет музыкальная наука.
Список литературы
Физикаимузыка. etheroneph.com›audiosophia/416-fizika-i-muzykа
Роберт Вильямс Вуд. Современный чародей физической лаборатории., АВт. В. Сибрук,
Научные опыты, Авт. Том Тит, Физика: опыты, фокусы и развлечения, «Издательство Астрель», 2007г.
Физика в природе, Авт. Л.В. Тарасов, «Просвещение», 1988г.
Занимательные вопросы по астрономии и не только, АВт. А.М. Романов, Москва, МЦНМО,2005г.
100 великих изобретений, Авт. К.В. Рыжов, Москва, «Вече», 1999г.
Юный физик в пионерском лагере, Я.И. Перельман, Ленинград, 1941г.
М.Е. Тульчинский, Основы электродинамики. Колебания и волны. Оптика. Физика атомного ядра, Изд-во: Москва "Просвещение",1972г.
Путешествия на воздушном шаре. А.А. Чернов, Гидрометеоиздат, 1975г.
Тесла. Б. Ржонсницкий. Серия "ЖЗЛ", Биография замечательного ученого, одного из крупнейших электротехников мира, уроженца Югославии Николы Тесла, "Молодая гвардия", 1959г.
Классики физической науки. Сборник. Г.М. Голин, С.Р. Филонович, Москва "Высшая школа", 1989г.
Физические парадоксы. В.Н. Ланге
Вечера по физике в средней школе. Пособие для учителя. Э.М. Браверман
Физический фейерверк. Дж. Уокер, Изд-во: Москва "Мир",1989г.
Занимательные задачи и опыты, Я.И. Перельма, Изд-во детской лит-ры, 1959г.
Электрофорная машина. https://vashtehnik.ru/enciklopediya/elektrofornaya-mashina.html
История электрофорной машины. https://studbooks.net/1961778/matematika_himiya_fizika/konstruktsiya_elektrofornoy_mashiny
Описание работы. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрофорная_машина#История
Камертон. https://ru.wikipedia.org/wiki/Камертон