Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Дэниел снова открыл записную книжку, чтобы продемонстрировать уравнения, моделирующие эту ситуацию. Но было поздно: поезд прибыл на станцию…

Удивитесь ли вы, узнав, что музыкальные инструменты отчасти являются физическими приборами? На протяжении веков они становились все совершеннее благодаря таланту и опыту мастеров и музыкантов. Последние далеко не всегда обладали обширными научными познаниями, и все же звучание рояля, органа или барабана замечательно иллюстрирует действие законов физики. В этой главе мы ближе познакомимся с королевой струнных инструментов – скрипкой.

Наследница средневековых музыкальных инструментов, таких как лютня и виола, скрипка появилась в XVI веке в Кремоне, Италия. Этот городок прославили династии Страдивари, Гварнери и Амати, превратившие производство струнных инструментов в настоящее искусство. И сегодня Кремона остается верна традиции: посещающие ее туристы бродят среди магазинов, в витринах которых выставлены скрипки (илл. 1). Во Франции тоже есть город скрипок – Миркур в Вогезах. Лицей Жан-Батиста Вийома, названный в честь великого скрипичного мастера XIX века, уроженца Миркура, предлагает уникальное во Франции обучение искусству производства этих инструментов.

1. Собор и баптистерий в Кремоне, Италия. Известный скрипичный мастер Антонио Страдивари (1644–1737) родился и умер в Кремоне

Скрипка – струнный смычковый инструмент; она имеет четыре хорошо натянутые струны, которые опираются на струнодержатель, или подгрифок (илл. 2). Последний передает в резонаторный ящик вибрацию струн, возбужденных движением смычка. При игре скрипач совершает смычком относительно медленные движения вперед и назад; он меняет направление примерно раз в секунду или еще реже. Струна скрипки при этом совершает несколько сотен колебаний в секунду и возбуждает в окружающем пространстве звуковые колебания с частотой в сотни герц. Эта частота колебаний струны определяет соответствующую ноту (до, ре, ми и т. д.) и зависит как от натяжения струны (должным образом настроенной музыкантом с помощью колков), так и от положения пальца скрипача.

2. Скрипач проводит смычком по струне, и она начинает вибрировать. Затем звук передается на деку (верхняя часть резонаторного ящика) через подгрифок. Музыкант выбирает высоту звука, зажимая струну на грифе пальцем. Четыре колка на конце грифа позволяют регулировать натяжение струн

Вибрация скрипичной струны впервые была описана немецким ученым Гельмгольцем в 1862 году. С помощью придуманных и изготовленных им инструментов он показал, что вибрирующая струна принимает, если говорить просто, форму двух прямых сегментов (илл. 3), разделенных точкой излома, которая с постоянной скоростью перемещается от одного конца струны к другому сначала в одном направлении, а затем в противоположном.

3. Движение скрипичной струны (красный цвет), по которой ведут смычком, по Гельмгольцу. Точка излома c 1 перемещается между подгрифком и пальцем скрипача слева направо по параболе, а затем справа налево (c 2 ) по другой параболе

Оставим вопросы техники игры скрипачам, нас же будет интересовать следующая физическая задача: как движущийся по струне смычок заставляет ее вибрировать? Если читатель считает ответ очевидным, то предлагаем ему натянуть веревку между двумя точками опоры (илл. 4) и пройтись по ней линейкой. Веревка будет отклоняться от своего равновесного положения до тех пор, пока она пребывает в контакте с линейкой, однако при этом она не вибрирует. Как только линейка будет убрана, веревка вернется в свое положение равновесия, совершив при этом, возможно, несколько колебаний. Итак, натянутая веревка под действием линейки не вибрирует. Почему же вибрирует струна под скрипичным смычком? Разгадка этой тайны кроется в канифоли – смоле, которой скрипач покрывает полотно смычка.

4. Опыт с трением натянутой веревки линейкой. Веревка отклоняется от положения равновесия, но не вибрирует до тех пор, пока сохраняется контакт с линейкой. Однако звучания все же можно добиться краткими щипками веревки ( pizzicato )