Вони доповнюють один одного: фізика й музика
Музика… Вона «надихає весь світ, окрилює душу, сприяє польоту уяви, додає життя і веселить усьому існуючому. Її можна назвати втіленням усього прекрасного і всього піднесеного» (за Платоном). Вона супроводжує нас протягом усього життя. З раннього дитинства ми поринаємо в океан її чарівних звуків, відчуваємо її силу, її здатність об’єднати в одне ціле наші почуття, прагнення, мрії…
Один з найвизначніших фізиків ХХ століття, засновник сучасної теоретичної фізики, лауреат Нобелівської премії з фізики в 1921 році Альберт Ейнштейн (1879-1955) був пристрасним скрипалем і вважав, що музика й фізика «мають одне джерело і доповнюють один одного…». Сучасники Ейнштейна говорили, що заняття вченого музикою позитивно впливали на вирішення складних питань з фізики. Зокрема, старший син згадував: «Як тільки батько відчував, що підходить до завершення роботи або ж якщо в роботі виникали труднощі, він звертався до музики й усі проблеми вирішувалися».
За дією на нас всі звуки можна поділити на дві групи: музичні звуки та шуми. Яка між ними відмінність? Відповідь на це запитання дати непросто, адже те, що здається музикою одній людині, для іншої – це просто шум. Так, багато хто захоплюється класичною музикою, обожнює її, але є й такі, кому вона не зовсім до вподоби. Плач немовляти для батьків – це чарівна музика, а для оточуючих – дратівливий крик.
Разом з тим, немає сумнівів у тому, що звуки, які йдуть від струн, що коливаються, від камертона, від вібруючих голосових зв’язок співака є музичними. Доведено, що для музичних звуків важливо, щоб коливання відбувалися через однакові проміжки часу.
За своєю природою джерела музичних звуків можна поділити на природні (голос) та штучні (камертон, дзвін, музичні інструменти). Однак спільним у них є походження звуку: коливання тіл породжують коливання повітря.
Різні музичні інструменти утворюють різні музичні звуки, тому можна виділити такі їх групи:
а) ударні – барабани, бубни, ксилофони (тут від удару палички чи руки здійснюють коливання натягнутий матеріал, металеві пластини і т.п.);
б) клавішні – піаніно, клавесини (коливання струн спричинене ударом по них молоточків);
в) духові – фанфари, труби, флейти, кларнети (коливання стовпа повітря всередині інструменту);
г) струнні – гітара, арфа, скрипка і т.п.
Цей поділ є умовним. Адже, наприклад, орган – це ціла фабрика звуків, його називають царем оркестру (рояль – королем, арфу – царицею, скрипку – принцесою).
Звуки різних інструментів відрізняються між собою. Щоб охарактеризувати їх застосовують такі важливі поняття, як: гучність звуку, висота тону, тембр.
- Гучність звуку (визначається дією звуку на орган слуху людини й тому оцінити об’єктивно дуже важко) – залежить від амплітуди коливань і площі тіла, що звучить. Зв’язок між гучністю і амплітудою непростий (чим більша амплітуда звукових коливань, тим гучніший звук).
Людина погано сприймає звуки низьких (близько 20 Гц) та високих (близько 20 кГц) частот, значно краще середніх (від 300 до 3000 Гц). Це пояснюється будовою органів слуху. Цікаво, що в міру зниження або підвищення частоти коливань чутливість слухового аналізатора до звуків падає. Найбільша гострота слуху спостерігається у 15-20-річних людей, з віком вона поступово знижується. До 40-річного віку зона найкращої чутливості знаходиться в межах 3000 Гц, від 40 до 60 років – в межах 2000 Гц, а після 60 – в межах 1000 Гц.
Одиницею гучності є белл (на честь американського вченого Олександра Грехема Белла (1847 – 1922), винахідника телефону). Проте на практиці застосовують децибели (дБ). Наприклад, гучність шепоту 20 дБ, досить емоційної розмови – 70 дБ.
Від музичного інструменту звук розповсюджується в різні сторони, тому на відстані, звичайно, його гучність зменшується. Для підсилення звуку використовують корпуси інструментів.
Необхідно пам’ятати, що звуки гучністю 130 дБ відчуваються шкірою і викликають больові відчуття. Надмірний шум впливає на організм людини як отрута, яка повільно в ньому накопичується. Він скорочує тривалість життя на 8 – 12 років. Від постійного сильного шуму продуктивність розумової праці знижується на 60%, фізичної – на 30%.
Спостереження фахівців свідчать, що на концертах сучасних рок-ансамблів, де гучність звуку від 100 до 120 дБ, 10% слухачів дістають незворотні пошкодження внутрішнього вуха (нервових закінчень), які не відновлюються. Встановлено дуже інтенсивний вплив музики на серцево-судинну та нервову системи людини, органи дихання. І навпаки, спокійна симфонічна музика, лагідний чарівний пташиний спів і т.п. мають позитивний вплив на організм людини, є оздоровчою процедурою (музична терапія).
- Другою важливою характеристикою музичного звуку є висота тону, яка залежить від частоти звукової хвилі. Дослідно доведено, що чим більша частота хвилі, тим вищий звук.
Музичні інструменти можуть створювати звукові коливання частотою від 20 (дуже басовитий звук, розібрати й зрозуміти важко, тому застосовують рідко) до 4000 Гц.
У ХVІІІ столітті відомим співаком Каспаром Феспером був встановлений «нижній» рекорд чоловічого басу 44 Гц (44 коливання за 1 секунду). До речі, частота коливань звуку найвищої ноти, яку здатні брати чоловіки – це 500 Гц. Звичайною нижньою нотою гарного басу й багатьох інструментів є висота тону 80 Гц. При подвоєнні частоти (160 Гц) одержимо діапазон доступний віолончелям, альтам. Тут досить комфортно почувають себе й баси, і баритони, і тенора, і жіночі контральто. Загальним еталоном висоти тону є 440 Гц («ля» першої октави) – тут працюють майже всі голоси й музичні інструменти. До 1000 – 1200 Гц звуковий діапазон повний музики – ці звуки чутно найкраще.
Неперевершений австрійський композитор і музикант-віртуоз Вольфган Амадей Моцарт (1756 – 1791) захоплювався італійською співачкою опери (сопрано) Лукрецією Аджуяри (1743 – 1783), яка брала «до» четвертої октави – це 2018 коливань за 1 секунду. Повним голосом «ре» четвертої октави (2300 Гц) співала француженка Мадо Робен (1918 – 1960), її голос вважається одним із найвищих голосів ХХ століття.
Звуки вище 3000 Гц дуже пронизливі й як самостійні музичні тони не використовуються.
- Звуки однакової гучності й частоти, що створюються різними музичними інструментами, звучать по-різному. Тому важливим поняттям, яке характеризує звук є тембр. Він пов’язаний зі специфічними властивостями джерела звуку, визначає його забарвлення.
Отримати чистий звук певної частоти навіть при відсутності сторонніх шумів досить важко, адже будь-яке тіло «видає» не один основний звук, а його постійно супроводжують звуки інших частот. Вони завжди вище основного звуку й називаються обертонами, верхніми тонами. Саме вони дають нам змогу відрізняти звук одного музичного інструмента від іншого та голоси різних людей, якщо вони навіть рівні за висотою. Чим більше обертонів, тим більш «насиченим» є звук.
Чарівний відтінок голосів професійних співаків обумовлений саме високими обертонами. До речі, свій голос ми сприймаємо зовсім по-іншому, ніж сприймають його інші. Наш «внутрішній» голос відрізняється від «зовнішнього» саме за тембром. Пояснюється це тим, що до інших людей звукові хвилі, що йдуть з нашої гортані, доходять через повітряне середовище, а до нашого слуху — через рідкі середовища, які заповнюють внутрішні органи.
Щодо музичних інструментів, то багато різноманітних тембрів має орган. Діапазон органа перевищує діапазони всіх разом взятих інструментів оркестру.
Встановлено, що зміст музичного твору сприймається набагато емоційніше, якщо використовувати кольори. Так, сьогодні при проведенні різноманітних концертних шоу програм широко застосовується світломузика. Великий вплив на якість звучання музики має також застосування сучасних комп’ютерних технологій, які тісно пов’язані з розвитком фізики…
Цікавинки. Знаєте ви, що…
- У внутрішньому вусі людини близько 25 тисяч клітин, які реагують на звук.
- Людина розрізняє 3-4 тисячі звуків різної висоти.
- Великої шкоди слуху людини наносять навушники, які так полюбляють сучасні підлітки.. Вченні стверджують, що при безрозсудному ставленні до свого слуху через 5 років близько 10 мільйонів людей ризикують втратити слух.
- Ми усвідомлюємо звук через 35-175 мілісекунд після того, як він дійшов до нашого вуха. Ще 180-500 мс потрібно, щоб досягнути найкращої чутливості.
- Глухі люди можуть танцювати під музику: звук проникає до їхнього внутрішнього вуха через підлогу та кістки скелету.
- Австрійський фізик Крістіан Доплер у 1842 році теоретично обгрунтував, що частота коливань, яку сприймає спостерігач, залежить від швидкості та напряму руху джерела хвиль і спостерігача відносно один одного.
- Психологи дослідили, що високий і дзвінкий голос асоціюється з юністю, енергійністю, а низький – з впевненістю, інтелектом, самодостатністю.
- Наука, яку відомий англійський вчений А.Ф.Піппад назвав насамперед творчістю рук і мозку.
- Музичний інструмент, який вважають царицею оркестру.
- Фізична величина, яка характеризує гучність звуку.
- Механічне коливання, яке поширюється у пружних середовищах: газах, рідинах, твердих тілах.
- Давньогрецький учений, який у ІV столітті до н.е. перший правильно представив, як поширюється звук у повітрі.
- Наука, що вивчає звук.
- Музичний інструмент, який називають царем оркестру.
У статті використано такі джерела:
http://cikavi-fakty.com.ua/pidbirka-cikavux-faktiv-z-fiziku/
http://ann-hanenko.blogspot.com/p/blog-page.html
http://www.slideshare.net/masterfizik/ani-28818038
http://bukvar.su/muzyka/109543-Fizika-i-muzyka.html
Давидова Світлана Сергіївна
учителька фізики
Ємільчинської гімназії
Ємільчинського району, Житомирської області
учасниця І Всеукраїнського Інтернет-конкурсу „УЧИТЕЛЬ РОКУ – 2016”
за версією науково-популярного природничого журналу „КОЛОСОК”
Редакція може не поділяти думку авторів і не несе відповідальність за достовірність інформації. Будь-який передрук матеріалів з сайту може здійснюватись лише при наявності активного гіперпосилання на e-kolosok.org, а також на сам матеріал!
Поширити
Схожі публікації
Ігор Корч. „Зонд New Horizons: місія до Плутона”
Американський астроном Клайд Томбо, який відкрив Плутон у 1930 році, і не мріяв, що колись люди зможуть відправити до нього космічний апарат. Ідея місії до цієї планети виникла на початку 1990-х років, коли її першовідкривач був ще живий. У 1992 році 86-річний Томбо отримав несподіване повідомлення з Лабораторії реактивного...
Микола Станько. Таємниці колірних гармоній
Ми живемо у різнобарвному світі. Споконвіку вчені, філософи та художники прагнули пізнати природу кольорів, розташувати їх у певному порядку, виділити серед них основні, вміти вдало та гармонійно їх компонувати. Що таке колір? Колір – це одна з невіддільних ознак будь-якого предмета. Кольори можна тільки бачити, а тому дуже важко...
Євген Гайдай. Життя і безсмертя. Частина 2
У 1920–30-х роках американський біолог Чарльз Ліпман проводив досліди з вугільними породами. З них він виділяв бактерії, що могли бути „замуровані” там протягом мільйонів років. Як вважав сам Ліпман, бактерії не жили в таких умовах, а виживали. Сьогодні такий стан називається ангідробіоз – виживання організму в умовах сильного висихання.