Текст статьи Леонович А. А. А так ли хорошо знакомы вам физика + музыка? // Квант. — 2023. — № 9. — С. 32—33.
Музыка есть радость души, которая вычисляет, сама того не сознавая.
Готфрид Лейбниц
Какое значение имеют по отношению к уху различные тона музыки, такое для глаза имеют различные цвета. ...высота в области звука зависит от числа колебаний, действующих на ухо в продолжение определённого времени...
Леонард Эйлер
Рояль был весь раскрыт и струны в нём дрожали...
Афанасий Фет
Рассматриваемый с физической точки зрения, музыкальный тон есть колебательный процесс в воздухе с некоторой фиксированной частотой. Например, тон
Георгий Шилов
...далеко ли ушли мы от Пифагора в понимании того, почему только некоторые звуки приятны для слуха?
Ричард Фейнман
Тысячелетиями человек не представлял жизни без музыки, сочиняя мелодии и песни, танцуя, изобретая бубны и барабаны, дудочки и флейты, лиры и лютни. Учёные — не исключение, у большинства из них музыка была любимым увлечением, но у многих это сочеталось и со стремлением «поверить алгеброй гармонию».
«Расшифровка» звуковых тайн оказалась удачной, что повлияло на совершенствование известных и создание новых музыкальных инструментов. А поток научных открытий, особенно в физике, способствовал появлению такой аппаратуры, которая кардинально изменила окружающую акустическую среду.
Оцифрованный качественный музыкальный звук стал доступен буквально каждому. Вот и вас, раздумывающих над сегодняшней темой «Калейдоскопа», скорее всего, сопровождает какой-нибудь саундтрек. Не так ли?
Вопросы и задачи
- У стола обычно четыре ножки, а у рояля — всегда только три. Почему?
- Отчего камертон звучит громче, если одна из его ветвей отломлена?
- Как опытным путём определить частоту колебаний камертона?
- Если ударить с одной стороны по двустороннему барабану, то через какое-то время начнёт колебаться вторая мембрана, а первая почти затихнет. Затем они меняются местами. Чем это объяснить?
- Когда в Кёльнском соборе установили колокол и начали раскачивать его язык, звона не услышали. Частоты колебаний колокола и его языка случайно оказались такими, что они качались в фазе. Как, по-вашему, решили проблему?
- Если смотреть издали на марширующих под духовой оркестр солдат, то кажется, что они идут не в такт с музыкой. Почему?
- Духовой оркестр, удаляясь, заходит за угол дома. Через некоторое время слышна игра лишь труб-басов и барабана. Отчего при этом не слышны флейты и кларнеты?
- В симфоническом оркестре играют около ста музыкантов. Однако, сидя в зрительном зале, мы воспринимаем каждый из инструментов оркестра, и их звуки не сливаются. Как это понять?
- Высота звука в трубах, как и в случае струны, зависит от их размеров. Каким фактором, в сравнении со струной, она ещё обусловлена?
- Почему у скрипки всего четыре струны, а у арфы или пианино — десятки?
- Отчего корпус виолончели намного больше, чем у скрипки?
- Зачем полый корпус скрипки, виолончели, гитары делают фигурным?
- Почему струнные музыкальные инструменты надо перенастраивать после внесения с мороза в тёплое помещение?
- Если струна музыкального инструмента начинает издавать ненормально низкий звук, настройщик увеличивает её натяжение. Как этим способом удаётся добиться нужной частоты колебаний?
- Гитарист перебирает струны и отпускает их, после чего каждая струна свободно колеблется и звучит на своей частоте. А вот скрипач постоянно ведёт смычком по струне — как же она тогда колеблется?
- Для чего смычки струнных инструментов перед игрой натирают канифолью?
Микроопыт
Потрите мокрым пальцем по ободку бокала или стакана. При определённой скорости обращения вы можете заставить стакан «петь». Что вызывает этот звук? Как он изменится, если налить в стакан воду?
Любопытно, что...
...по легенде, в незапамятные времена около древнеегипетского города Фивы каждое утро на рассвете огромная статуя, известная под именем колосса Мемнона, издавала тон «ля» первой октавы, и музыканты приходили к ней настраивать свои инструменты.
...Пифагор экспериментально обнаружил связь между высотой музыкального тона и длиной струны либо флейты, его издающих, и что гармоничность совместного звучания определяется простым рациональным отношением длин этих инструментов. Так Пифагор открыл первый закон математической физики.
...нотный стан, заслуга изобретения которого в начале XI века принадлежит итальянскому монаху Гвидо д’Ареццо, — это первый в истории график, так как на нём по вертикали указывается изменение высоты звука, а по горизонтали слева направо — течение времени.
...наиболее существенный вклад в решение задачи о колеблющейся струне внёс Леонард Эйлер, начиная с его работы 1739 года «Опыт новой теории музыки», в которой он придал проблеме музыкальной гаммы точный смысл.
...Бетховен, оглохнув, слушал игру на рояле, приставив к нему одним концом свою трость, другой конец которой держал у зубов.
...Альберт Эйнштейн любил играть не только на скрипке, но также исполнял на рояле произведения Баха, Вивальди и Моцарта. По словам современников, он легко переносил негативные оценки своих научных теорий, однако очень обижался, если кто-то критиковал его стиль игры на скрипке.
...первый отечественный электромузыкальный инструмент — терменвокс — был сконструирован в 1920 году российским физиком Львом Терменом. Высотой и громкостью звука в этом устройстве можно было управлять, меняя положение рук исполнителя относительно антенн прибора.
...в XX веке произошла самая настоящая революция в средствах записи, передачи и воспроизведения музыки: от механических инструментов — шарманок и музыкальных часов — через граммофоны, магнитофоны — до цифровых аудиоустройств. Как, например, встроенный в наушники микрокомпьютер с искусственным интеллектом или программа, подбирающая для пользователя музыку, похожую на ту, что он слушал ранее.
Что читать в «Кванте» о союзе физики и музыки
(публикации последних лет)
- «Алло! Вы меня слышите?» — 2015, приложение №1, с. 111.
- «Аплодисменты здесь тихие» — 2016, №3, с. 34.
- «Почему плохо кричать против ветра» — 2020, №5, с. 25.
- «Бум и шшш...» — 2022, №11-12, с. 42.