Статья "Физика и фортепиано"

И.К. Моисеев

Науч. рук. С.Е. Галушко

МАОУ Школа №26 г. Благовещенска

«ФИЗИКА И ФОРТЕПИАНО»

В статье рассматриваются особенности музыкального инструмента, предлагается обьяснение звучания фортепиано с физической точки зрения.

Мир, окружающий нас, можно назвать миром звуков. Звучат вокруг нас голоса людей и музыка, шум ветра и щебет птиц, рокот моторов и шелест листвы. С точки зрения физики, звук – это, механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле. Мы часто восхищаемся звуками, которые издают музыкальные инструменты. Несомненно, мастера, изготавливающие их, вкладывают душу и опыт, накопленный годами, в свои творения. Как же они превращают обыкновенные воздушные волны в прекрасную музыку?

В школе, на одном из уроков физики я познакомился с одной из её областей – акустикой. Эта тема меня заинтересовала, и я решил более подробно изучить её. В данный момент я увлекаюсь такой сложной наукой как физика и одновременно играю на музыкальном инструменте- фортепиано. Я уверен, что мои увлечения связаны тесно между собой

Способность человека воспринимать упругие колебания, слушать их отразились в названии учения о звуке - акустика (от греческого akustikos - слуховой, слышимый). Вообще человеческое ухо слышит звук только тогда, когда на слуховой аппарат уха действуют механические колебания с частотой не ниже 16 Гц но не выше 20 000 Гц. Колебания же с более низкими или с более высокими частотами для человеческого уха не слышимы.

Вопросы, которыми занимается акустика, очень разнообразны. Некоторые из них связаны со свойствами и особенностями нашего слуха. Предметом физиологической акустики и является сам орган слуха, его устройство и действие.

Музыкальная акустика исследует музыкальные инструменты и условия их наилучшего звучания.

Есть 3 важных понятия, характеризующих звуки.

Первое понятие – громкость. Она связана с энергией колебаний в источнике и в волне. Энергия же колебаний определяется амплитудой колебаний. Громкость, следовательно, зависит от амплиту­ды колебаний и определяется действием звука на орган слуха. Но это весьма субъективно. Поэтому в физике пользуются понятием интенсивность звука. Его можно измерить, он зависит от амплитуды колебаний и от площади тела, совершающего колебания. Единица громкости – белл. Если исполнить музыкальное произведение от начала до конца на одном уровне громкости, оно много потеряет в своей выразительности. Если бы инструменты не могли изменять громкость звука, музыка вряд ли могла бы выражать тончайшие оттенки чувств.

Шкала громкости: порог слышимости — 0дБ, шепот — 20 дБ, нормальная речь — 40 дБ, крик — 80 дБ, большой оркестр — 100 дБ, боль в ушах — I8О дБ. Музыкальные термины, которые определяют степень громкости исполнения музыки, называют динамическими оттенками (от греческого слова — силовой, т.е. сила звука). В нотах можно увидеть такие обозначения:

рр — pianissimo(пианиссимо) — очень тихо;

р —рiаnо (пиано) — тихо;

mр —mezzo рiаnо (меццо пиано) — умеренно тихо, немного громче, чем пиано;

mf —mezzo forte (меццо форте) — умеренно громко, громче, чем меццо пиано;

f — forte (форте) — громко;

ff — fortissimo (фортиссимо) — очень громко.

Второе важное понятие – это высота тона.

В физике она характеризуется частотой колебаний. Наинизший из слышимых человеком музыкальных звуков имеет частоту 16 колебаний в секунду. Частота колебаний звуков фортепиано от 90 до 9000 Гц.

Третье понятие – это тембр звука. Объясняется различие тембра тем, что в обычных звуках присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд. Получить чистый звук со строго определенной частотой колебаний очень трудно, даже при полном отсутствии шумов. Например, звуки фортепиано могут включать в себя до 15 – 20 различных колебаний. От состава каждого сложного звука зависит его тембр.

Звуки возникают от того, что молоточки ударяют по струнам. На клавиатуре фортепиано всего 88 клавиш (из них 52 – белые, а 36–черные). Это значит, что на нем можно сыграть в общей сложности 88 нот, для этого внутри этого инструмента должно находиться 88 молоточков, которые будут ударять по струнам. А вот струн, по которым ударяют молоточки, оказывается, гораздо больше – их 220. Дело в том, что каждой клавише изнутри отвечают от 1 до 3 струн. Для низких громогласных звуков достаточно одной-двух струн, так как они длинные и толстые (даже имеют медную обмотку). Высокие звуки же рождаются благодаря коротким и тонким струнам. Как правило, громкость их не слишком сильна, поэтому усиливается добавлением ещё двух точно таких же. Вот и получается, что один молоточек ударяет не одну струну, а сразу три, настроенные в унисон (то есть на один и тот же звук). Группу из таких трех струн, которые издают один и тот же звук вместе, принято называть хором струн. Все струны крепятся на специальной раме, которую отливают из чугуна. Она очень крепкая, так как должна выдерживать большую силу натяжения струн.

Винты, с помощью которых достигается и фиксируется нужное натяжение струн, называются колками. Когда происходит настройка фортепиано, то каждый из колков подкручивается специальным ключом так, чтобы струна зазвучала нужной высотой.

Клавиша сама по себе никак не соединяется с источником звука, то есть со струной, а лишь служит своеобразным рычагом, который приводит в действие внутренние механизмы. В результате воздействия клавиши специальные механизмы передают энергию удара молоточку, и он ударяет по струне. Одновременно с молоточком движется демпфер (подушечка- глушитель, которая лежит на струне), он отрывается от струны, чтобы не препятствовать её свободным колебаниям. Молоточек также после удара мгновенно отскакивает назад. Пока на клавиатуре нажата клавиша, продолжаются колебания струн, как только клавиша будет отпущена, демпфер опустится на струны, погасив их колебания, и звук прекратится.

В современных фортепиано присутствует две или три педали. Правая педаль (её называют иногда просто "педалью", т.к. используется она наиболее часто) поднимает сразу все демпферы, так что после отпускания клавиши соответствующие струны продолжают звучать. Кроме того, все остальные струны инструмента также начинают вибрировать, становясь вторичным источником звука. Правая педаль используется в двух целях: сделать последовательность извлекаемых звуков неразрывной (игра legato) там, где это невозможно сделать пальцами в силу технических сложностей, и обогатить звук новыми обертонами. Существует два способа использования педали: прямая педаль - нажатие педали перед нажатием клавиш, которые нужно задержать, и запаздывающая, когда педаль нажимается сразу после нажатия клавиши и до того, как её отпустили. В нотах эта педаль обозначается буквой P (или сокращением Ped.), а её снятие - звёздочкой. В музыке композиторов эпох романтизма и импрессионизма часто встречаются эти обозначения, обычно для придания звуку особого колорита. Левая педаль используется для ослабления звучания. Это достигается сдвигом молоточков влево, так что вместо трёх струн хора они ударяют только по двум (в прошлом иногда только по одной). В фортепиано молоточки приближаются к струнам. Эта педаль используется значительно реже. В нотах она обозначается пометкой una corda, её снятие - пометкой tre corde или tutte le corde. Средняя (или третья, т.к. исторически она была добавлена последней) педаль, или педаль sostenuto, служит для избирательного поднятия демпферов. При нажатой средней педали демпферы, поднимаемые при нажатии клавиш, остаются поднятыми до снятия педали. Она, как и правая педаль, может служить для игры legato, но не будет обогащать звук вибрацией остальных струн.

Т еперь разберемся в том, как работает механика фортепиано. Рисунок-схема принципа работы фортепианной механики: Здесь вы видите, что клавиша сама по себе никак не соединяется с источником звука, то есть со струной, а лишь служит своеобразным рычагом, который приводит в действие внутренние механизмы. В результате воздействия клавиши (та часть, которая видна на рисунке, скрыта, если смотреть снаружи), специальные механизмы передают энергию удара молоточку, и он ударяет по струне. Одновременно с молоточком движется демпфер (подушечка-глушитель, которая лежит на струне), он отрывается от струны, чтобы не препятствовать её свободным колебаниям. Молоточек также после удара мгновенно отскакивает назад. Пока на клавиатуре нажата клавиша, продолжаются колебания струн, как только клавиша будет отпущена, демпфер опустится на струны, погасив их колебания, и звук прекратится.

Обычно бывает две педали, иногда три. Педали нужны для того, чтобы разнообразить, разукрасить звучание. Правая педаль отрывает от струн сразу все демпферы, в результате чего после отпускания клавиши звук не пропадает. С ее помощью мы можем добиться звучания в одновременности большего числа звуков, чем мы смогли бы сыграть только лишь одними пальцами. Среди неискушённых людей распространено мнение о том, что если нажать правую педаль, то звук фортепиано станет громче. В некоторой степени это действительно верно. Музыканты же склонны оценивают не столько громкость, сколько обогащение тембра. При воздействии на струну при открытых демпферах, этой струне начинают отзываться многие другие, которые связаны с ней по акустико-физическим законам. В результате звук насыщается обертонами, делая его более полным, сочным и полётным. Левая педаль также используется для создания особого рода красочности звучания. Своим действием она приглушает звук. Левая педаль действует различными способами. Например, при нажатой (правильнее выразиться – взятой) левой педали молоточки приближаются к струнам, вследствие этого сила их удара снижается и соответственно уменьшается громкость. Левая педаль при помощи особых механизмов так смещает всю механику относительно струн, что молоточек вместо трех струн ударяет всего одну, и это создает потрясающий эффект отдалённости или глубины звучания. У фортепиано бывает ещё и третья педаль, которая располагается между правой педалью и левой. Функции этой педали могут быть различными. В одном случае это педаль-sostenuto, нужная для удержания отдельных басовых звуков, в другом – модератор, который сильно уменьшает звучность инструмента (например, для ночных занятий), в третьем случае средняя педаль подключает какую-нибудь дополнительную функцию. Например, опускает между молоточками и струнами планку с металлическими пластинками, и таким образом изменяет привычный тембр пианино на какую-либо окраску.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Анфилов Г.В. Физика и музыка. — М.: Детская литература, 1964.

2. .Газарян С.С. В мире музыкальных инструментов/Для учащихся старших классов. — М.: Просвещение, 1985.

3. Клара Р. Хитц. Петер в стране музыкальных инструментов. — М.: Музыка, 2009.

4. Левашева Г.И. Рассказы из музыкальной шкатулки. — Л.: Детгиз, 2010 Гл. ред. Г.В.Келдыш.

5. Музыкальный энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 2006.

6. Перельман Я.И. Занимательная физика (Книга 2, глава 10. «Звук. Волнообразное движение».)/21-е изд. испр. и доп. — М.: Наука Главная редакция физико-математической литературы, 1983

7 Физический энциклопедический словарь. — М.:Советская энциклопедия, 2003. Т. 3. Эллиот. Л., Уилкокс У. Физика/Пер. с англ. Под ред. А.И.Китайгородского. — М.: Физматгиз, 1993.