Реферативно-исследовательская работа по теме "Физика и музыка"

МБОУ СОШ №13 научно-практическая конференция Секция «Физика» Реферативно-исследовательская работа «Физика и музыка» Автор – Буглов Александр Юрьевич ученик 10 «А» класса МБОУ СОШ №13. Научный руководитель – Хрисанфова Галина Анатольевна, учитель физики МБОУ СОШ №13. Александров 2018г. Оглавление: Введение…………………………………………………………… ………………………………… Основная часть…………………………………………………………………… ………………. 2. Музыкальная 3. Струнные музыкальные инструменты. Как 1. Принципы извлечения звука из металлических музыкальных инструментов. Варган………………………………………………………… …….. шкатулка……………………………………………………… …….. натяжение, материал и длина срун влияет на звук инструмента………………………. ………………………….. Выводы……………………………………………………………… ………………………………… Список литературы………………………………………………………… …………………… Приложение………………………………………………………… ……………………………… 4. Фортепиано…………………………………………………… 3 3 3 5 5 7 9 10 11 1 Введение: Все мы любим слушать музыку. Ведь это успокаивает нас, повышает настроение и устремляет в мир высоких чувств, но как же рождаются эти прекрасные звуки? И какие виды музыкальных инструментов бывают? Гипотеза: Любые звуки – это волновые импульсы, значит музыка – это звуковые физические явления. Задачи исследования:  узнать о различных видах музыкальных инструментов;  собрать собственный прибор с разной длиной, толщиной и материалами струн;  изучить звучание и строение варгана, музыкальной шкатулки и фортепиано. Методы исследования: анализ; сбор информации из книг; создание собственных инструментов; сбор информации с помощью ресурсов Интернет. 2 Введение: Музыка – это прекрасное физическое явление, способное захватывать наши эмоции и уносить их ввысь. Существуют такие виды музыкальных инструментов, как: струнные, духовые, ударные, ударно-клавишные и др. Сегодня я буду рассматривать струнные, язычковые и ударно-клавишные инструменты. Музыка очень многогранна. Испокон веков наша земля была гигантской музыкальной мастерской и концертной эстрадой. В любой глуши человек пел, играл, выделывал то, что свистит, гудит, гремит. Это было нужно как воздух, ибо музыка помогала ему в труде, облегчала печаль. Она всюду. Без неё нельзя. Но что же издаёт музыку? Это множество музыкальных инструментов. Сначала я рассмотрю язычковый музыкальный инструмент варган. Основная часть 1. Принципы извлечения звука из металлических музыкальных инструментов. Варган. Почему он звучит. 3 1. При колебаниях язычка варгана в воздушной среде происходит сжатие воздуха перед язычком и разрежение – за ним. В результате этих воздействий образуются области повышенного и пониженного давления. Разность давлений по обе стороны язычка обусловливает возникновение так называемой силы сопротивления воздуха. Величина последней зависит от плотности воздуха, геометрических и физических характеристик движущегося тела. где F – сила сопротивления воздуха; Cx – коэффициент аэродинамического сопротивления); ρ – плотность воздуха; S – площадь поперечной проекции движущегося тела; V – скорость движущегося тела. Таким образом, Скорость движения язычка не одинакова на всем протяжении пути следования. Наибольшее значение за один период она достигает в момент прохождения точки равновесия, около которой, собственно, и происходят колебания язычка. наибольшее сопротивление воздуха, согласно приведенной формуле, колеблющийся язычок испытывает в точке равновесия. А значит здесь же происходят максимальные сжатия- разрежения воздуха, которые точно соответствуют пиковым значениям амплитуды звуковой волны. Из-за небольшой ширины язычка воздействие на окружающий воздух остается незначительным. Поэтому звук, порождаемый колебаниями отдельной узкой пластинки, оказывается едва различимым. 2. Во время движения язычка воздух, сталкивающийся с пластинкой, частично уплотняется, а частью раздвигается, 4 обтекает пластинку и на некотором расстоянии вновь смыкается. В момент прохождения язычка сквозь рамку обтекание его воздухом резко затрудняется. Разница давлений по обе стороны пластинки мгновенно увеличивается, а области сжатия и разрежения моментально распространяются на большие объемы воздуха. 3. Любая колеблющаяся пластина приводит в движение воздух по обе стороны от своей плоскости. При этом, когда с одной стороны происходит уплотнение воздуха, с другой – наоборот, разрежение. Иначе говоря, при одинаковой частоте и амплитуде порождаемые колебаниями пластины две звуковые волны оказываются противоположными по фазе. Противоположность фаз приводит к взаимной нейтрализации. И дальнейшее продвижение этих областей прекращается ввиду их исчезновения. Звук пропадает. Музыкальная шкатулка Музыкальная шкатулка — это музыкальный инструмент, производящий звуки в результате зацепления выступов, 5 Мелодия, расположенных на вращающемся цилиндре, с зубцами металлического гребня. воспроизводимая шкатулкой, определяется длиной зубцов на гребне и порядком расположения выступов. И хотя шкатулка не является полноценным музыкальным инструментом, все равно приятно погрустить под ее мягкие звуки. Струнные музыкальные инструменты. Как натяжение, материал и длина срун влияет на звук инструмента. Изучая звучание различных музыкальных инструментов, я решил поставить эксперимент: собрать собственную установку, струны которой будут разной длины, толщины и материала. для этого я взял основание для будущего инструмента, 2 толстые лески длиной 40 и 25 см, 5 тонких лесок длиной 40, 25,20, 15, 15 см и 2 тонкие медные проволоки длиной 15 и 10 см. Струны я закреплял на основании, наматывая их на саморезы, что позволило мне в дальнейшем настраивать инструмент, своевременно подкручивая их. № струны Материал Длина (см) Частота 1 2 3 4 5 6 толстая леска толстая леска тонкая леска тонкая леска тонкая леска тонкая 40 25 40 25 20 15 6 Период (мс) 8,70 4,00 1,20 0,40 0,28 0,20 (Гц) 113 250 1200 2500 3500 4300 7 8 9 леска тонкая леска медь медь 15 15 10 0,19 0,30 0,23 5000 3600 4500 Измерения периода и частоты колебаний я проводил с помощью приложения на мобильном телефоне, следовательно, присутствует значительная погрешность. Но, несмотря на это, у меня вышло, что при уменьшении длины лески, частота колебаний увеличивается, а период уменьшается. И наоборот, при этих неизменных параметрах, у проволок, изготовленных из разных материалов, частота колебания будет больше у той, толщина которой наименьшая. все это доказывает знания, полученный на школьных уроках физики. В итоге у меня получился необычный инструмент с интересным звучанием. Струны я расположил в порядке повышения частоты колебания. Медные струны я расположил в стороне, так как из-за высокого натяжения и несовершенности конструкции эти струны быстро расстраиваются и рвутся. Заметно, что у меди более богатое и насыщенное звучание, чем у лески, именно поэтому медные и стальные струны используют в ударно-клавишных инструментах, о которых я сейчас и расскажу. Фортепиано. Рояль называют королем музыкальных инструментов. К его несомненным достоинствам относится то, что рояль охватывает 7 почти весь слышимый музыкальный диапазон. Если пока брать во внимание только высоту звука, то в музыкальное пространство рояля может уложиться большой симфонический оркестр со всем многообразием инструментов. Пианино — инструмент компромиссный. Его звучание заведомо хуже, зато это более компактный инструмент. (Тем не менее встречаются великолепные пианино и весьма посредственные рояли.) Рояль полнозвучен главным образом потому, что в нем можно использовать более длинные струны и большую резонансную деку. Кроме того, можно поднять крышку, и не останется никакой преграды между струнами и слушателями. Зато пианино легко поставить в небольшой комнате, и оно отлично уживется в ней рядом с обычной мебелью. Очень важная деталь и рояля, и пианино — дека. Это деревянный щит, склеенный из отдельных досок. В рояле дека размещается горизонтально под струнами, а в пианино вертикально. Она не только усиливает звук, но и участвует в формировании тембра инструмента, причем так, что от характерного струнного звука мало что остается, — мы слышим звучание дерева. Деку делают из резонансной ели, иногда из сосны, причем дерево специально подбирают, чтобы слои в нем были узкими и прямыми, без сучков. И конечно же, дерево для деки должно быть сухим и выдержанным. Если взглянуть на струны рояля, можно заметить, что в способе их крепления много общего с обычными струнными инструментами. Одним концом каждая струна крепится на чугунной раме, потом перекидывается через закрепленную на деке деревянную подставку, которая передает деке колебания 8 струн, затем переходит через порожек на противоположной стороне рамы и, наконец, наматывается на колок. Так как в рояле больше двухсот струн, чугунная рама должна выдерживать усилие примерно в 20 т. А больше двухсот струн набирается в рояле и пианино оттого, что для каждого звука натягиваются две или три одинаково настроенные. Струны, переходя через подставку на деке, давят на нее с достаточно большей силой — примерно в полтонны. Поэтому дека должна быть не только гибкой, но и очень прочной. Для этого в роялях ее делают чуть выгнутой в сторону струн. Ручные струнные инструменты расстраиваются очень быстро. Мандолину, домру, гитару каждый раз перед игрой приходится подстраивать. Для рояля и пианино это было бы совершенно неприемлемым, хотя бы потому, что тогда и вовсе некогда было бы играть, — процесс настройки этих инструментов долог. Поэтому колки у них устроены особо: они плотно запрессованы в деревянную раму, которая соединена с чугунной. Каждое отверстие для колка свернётся с таким расчетом, чтобы оно было меньше диаметра самого колкая 1,5 мм, и когда в это отверстие с большим усилием вгоняют колок, он сидит в нем так плотно, что провернуть его можно только специальным ключом. Теперь о действии педалей. Нажатие клавиши вызывает, кроме удара молоточка о струну, еще и отделение от нее глушителя. Когда клавиша отпускается, глушитель (демпфер) вновь возвращается на струну. А с помощью правой педали можно продлить звучание струн, когда клавиши уже отпущены. Педаль поднимает со всех струн глушители и оставляет их в таком положении. Музыканты пользуются этой педалью очень осторожно, иначе не заглушаемое звучание может слиться в 9 так называемый педальный гул, который не имеет ничего общего с благозвучием. Когда пианист нажимает левую педаль, вся молоточковая механика сдвигается чуть в сторону, поэтому удар приходиться уже не на все три струны, предназначенные для данного звука, а только на две (или на одну, если для каких-то звуков предусмотрены всего две струны). Звучание, естественно, становится более тихим и мягким. (У пианино молоточки не сдвигаются в сторону, а приближаются к струнам.) Остается сказать об одном очень важном требовании к инструменту. Мы привыкли, что любой работающий механизм издает какой-то шум. А в фортепиано, тоже представляющем собой механизм, это недопустимо. Ни каких скрипов, стуков, щелчков не должно быть. Должна быть только музыка. Вывод. Работая над данной темой, я узнал много нового и интересного о звуке и происхождении звука, о его характеристиках. Так же я разобрался в устройстве фортепиано. В реферате также были рассмотрены физические основы работы варгана и музыкальной шкатулки. Изученные материалы дали мне возможность глубже понять и разобраться в таких характеристиках музыкальных звуков, как громкость, высота, тембр и длительность. Также я познакомился и узнала больше о фортепиано. В ходе работы я уделил наибольшее внимание изучению устройства фортепиано и исследованию звуков, которые оно издает. Проведенные эксперименты дали мне возможность убедиться в справедливости теоретических сведений. Я думаю, 10 что мои исследования можно использовать при рассмотрении темы звука на уроках физики. Список литературы: 1. «Физика 8,9 класс» А.П. Рымкевич; 2. «Немного об акустике варгана, или как рождается звук.» http://velen.diary.ru/p195230181.htm;  «Физика и музыка» Анфилов Г. Б. 3. "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.; 4. 11