مفاهیم کلیدی: صدا، موسیقی، فیزیک، موج، فرکانس
مشاهده‌ي علمي ۱۳۳
مقدمه:
آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید که آلات موسیقی چگونه این صداهای زیبا را تولید می‌کنند؟ دلیل آن کاملاً علمی است. برای ایجاد هر نت موسیقی، ساز باید یک موج صوتی با اندازه‌ی خاص تولید کند. با این اوصاف هر صدایی که از سازهای مختلف می‌شنوید مجموعه‌ای از موج‌های یکسان هستند که از طریق هوا به گوش شما میرسند. البته اکثر سازها قادر به تولید نت‌های مختلف بسیاری (در واقع طول موج‌های با اندازه‌ی متفاوت) هستند. درمورد سازهای فراوانی این کار را میتوان از طریق تغییر طول قسمتی از ساز مانند سیم‌های داخل یک پیانو یا گیتار، یا ستون هوای قابل تنظیم ترومبون انجام داد. در این فعالیت علمی شما با استفاده از نی‌های آشامیدنی یک ساز خواهید ساخت و بررسی خواهید کرد که چگونه تغییر طول نی‌ها بر نتی که ساز ایجاد می‌کند تأثیرگذار است.
پیش‌زمینه:
صوت توسط ارتعاشات به وجود می‌آید؛ این ارتعاشات مولکول‌های هوا را تحت کشش و فشار قرار می‌دهند. فشارها سبب تراکم محلی مولکول‌های هوا (افزایش فشار) و کشش‌ها سبب انبساط هوا (کاهش فشار) میشوند. این انبساط و انقباض‌ها به سرعت از منبع اصلی به صورت یک موج در هوا منتقل میشوند و تولید صوت می‌کنند. صوت یک موج است، یعنی الگویی از تغییرات فشار در مولکول‌های هوا.
در یک موج صوتی فرکانس موج در صدایی که فرد می‌شنود تأثیرگذار است. هرچه فرکانس بیشتر باشد صوت شنیده شده در محدوده‌ی بالاتری قرار می‌گیرد. اما فرکانس چیست؟ فرکانس یک موج، بیان کننده‌ی تعداد سیکل‌هایی از موج است که در طول زمان مشخصی رخ می‌دهد. واحد آن هرتز (Hz) است، یعنی تعداد سیکل‌ها در ثانیه. به طور میانگین محدوده‌ی فرکانس شنوایی انسان بین ۲۰ تا ۲۰۰۰۰ هرتز است.
در یک ساز زهی مانند گیتار یا پیانو با ضربه خوردن به سیم یک موج ایستاده تولید می‌شود. این ارتعاشات نیز به قسمتی از ساز منتقل می‌شود که آن را تقویت می‌کند
مواد و وسایل مورد نیاز:
حداقل دو عدد نی آشامیدنی پلاستیکی یا کاغذی
قیچی
پیانو، ارگ یا هر ساز دیگر که قادر به تولید نت‌های اصلی باشد. (اختیاری)
آماده‌سازی:
یکی از نی‌های آشامیدنی را با قیچی از وسط ببرید. به نظر شما طول‌های مختلف نی چه تأثیری بر صوتی که این نی‌ها تولید می‌کنند دارد؟
یکی از نی‌ها را بردارید و حدود یک اینچ از یک سر آن را مسطح کنید. برای این کار می‌توانید از دندان یا ناخن خود استفاده کنید.
حال با قیچی دو قسمت کوچک در دو گوشه‌ی قسمت مسطح شده‌ی نی ببرید. با این کار انتهای نی در حالت مسطح شبیه یک V برعکس است، با این تفاوت که سر آن نوک تیز نیست (یعنی قسمت بالای آن یک تکه‌ی کوچک بریده نشده دارد).
همین کار را با نی دوم انجام دهید تا در نهایت دو عدد نی با سر مسطح V شکل داشته باشید.
روش کار:
قسمت انتهایی بریده شده‌ی نی بلندتر را داخل دهان خود ببرید. طوری آن را در دهانتان بگذارید که قسمت بریده شده فقط کمی داخل و عقب‌تر از لب‌هایتان باشد. سپس لب‌های خود را به سمت داخل ببرید و فشار کمی به نی وارد کنید. به نظر شما چه لزومی دارد که به نی فشار وارد کنید؟
داخل نی بدمید. چه صدایی می‌شنوید؟ قسمت‌های بریده شده‌ی انتهای نی باید مرتعش شوند و صدایی تولید کنند. ممکن است برای تولید صدایی مناسب لازم باشد نی را در دهان خود کمی بچرخانید تا موقعیتی خوب پیدا کند. برای تولید یک صدای ثابت و خاص نیاز به تمرین خواهید داشت.
حال به همان شکل داخل نی کوتاه بدمید. این بار چه صدایی می‌شنوید؟ صدای تولید شده چه تفاوتی با قبل دارد؟ این بار نیز ممکن است برای تولید یک صدای ثابت و خاص نیاز به تمرین داشته باشید.
آزمایش‌های تکمیلی:
اگر پیانو، ارگ یا ساز دیگری دارید، می‌توانید نت‌های تولید شده با نی‌ها را با نت‌های سازی که دارید مقایسه کنید. آیا می-توانید با این کار تشخیص دهید که چه نتی با نی تولید کرده‌اید؟ نت تولید شده توسط نی کوتاه‌تر چه تفاوتی با نت نی بلندتر دارد؟
می‌توانید این آزمایش را یک مرتبه‌ی دیگر انجام دهید و این بار هشت عدد نی را طوری ببرید که هر کدام یکی از نت‌های اصلی را تولید کند.
ساخت سازهای دیگر نیز آسان است. شما می‌توانید با استفاده از بطری‌های نوشابه که هر کدام مقدار خاصی آب دارند نت‌های مختلفی را با فوت کردن بر روی در این بطری‌ها تولید کنید. همچنین می‌توانید فنجان‌های کوچک را با مقادیر مختلف آب پر کنید و سپس با انگشت تمیز و کمی مرطوب به لبه‌ی آنها ضربه بزنید تا ارتعاش‌های خاصی ایجاد شوند. نت تولید شده توسط این سازهای دست ساز با تغییر میزان آب داخل‌شان چگونه تغییر می‌کند؟ آیا می‌توانید با آنها آهنگی خاص را بنوازید؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا نی کوتاه‌تر نت‌های بالاتری نسبت به نی بلند تولید می‌کند؟ صوتی که توسط نی تولید می‌شود وابسته به فرکانس موج صوتی است. هر چه فرکانس موج بیشتر باشد، صدای تولیدی در محدوده‌ی بالاتری قرار می‌گیرد. نی کوتاه موجی با فرکانس بالاتر نسبت به نی بلند تولید می‌کند و بدین ترتیب صدایی که از نی کوتاه تولید می‌شود در محدوده‌ی بالاتری قرار دارد.
در واقع به دلیل آن که طول نی کوتاه نصف نی بلند است، نی کوتاه فرکانسی دو برابر نی بلند تولید کرده است (بر اساس معادله‌ای ریاضیاتي که نشان می‌دهد فرکانس تولید شده در یک استوانه‌ی باز متأثر از طول استوانه است و طبق آن فرکانس برابر است با سرعت صوت (که باید ثابت باشد) تقسیم بر دو برابر طول استوانه). زمانی که فرکانس یک موج صوتی دو برابر فرکانس موج صوتی دیگر است، صداهای تولید شده یک اکتاو با هم فاصله دارند. برای مثال نت میانی C فرکانس ۲۶۲ هرتز و نت Cِ یک اکتاو بالاتر فرکانس ۵۲۴ هرتز دارد (دو برابر ۲۶۲). با این وجود احتمالاً با انجام این فعالیت علمی متوجه شده‌اید که برای تولید یک نت خاص نیاز به تمرین بسیار دارید.
منبع:
Do-Re-Mi with Straws
منابع مفيد:
Physics Classroom - Wave and Sound
Note Frequencies
Air Column Resonance
فرکانس
زنگ تفريح فيزيک
صوت موسيقي
موج صوتي
تاريخچه‌ي صوت موسيقي