Mierzymy otaczający nas świat
Email

Skąd się biorą dźwięki?


 

GRAJĄCE RURKI

 

Krzysztof Pawłowski
Centrum Fizyki Teoretycznej PAN
Warszawa

Julia Budziszewska
Wydział Biologii UW
Warszawa



Chcesz wiedzieć jak działają organy? Dzięki temu doświadczeniu możesz to łatwo sprawdzić. Eksperyment jest zarówno barwną ilustracją do lekcji o akustyce jak i ciekawą zabawką zachwycającą najmłodszych. Czas przygotowania – ok. 40 min, koszt około 10 zł.

palm pipes


Dziękujemy za inspirację Hisa Eksperimentov (http://www.h-e.si/)

Google, zapytany o 'palm pipe music' znajduje wiele stron internetowych w języku angielskim. Przed wykorzystaniem melodii warto sprawdzić tonację. Z nieznanych nam powodów  na amerykańskich stronach internetowych jest mnóstwo melodii "na rurki" w tonacji f-dur. Nasze melodie i instrumenty przygotowane są dla utworów w tonacji c-dur.


Grające rurki
Melodie


 
Program nauczania/Przedmioty:
Szkoła podstawowa (klasy IV-VI)
Podstawa programowa: przyroda - podstawowe zjawiska akustyczne
muzyka - obserwacje i tworzenie świata dźwięku
Gimnazjum
Podstawa programowa: fizyka - fale dźwiękowe
muzyka - wiedza niezbędna do rozumienia muzyki
temat: akustyka
skąd się bierze dźwięk?

 

1. Potrzebne materiały

  Do wykonania doświadczeń potrzebne będą:

  • 2 metrowa rura PCV o średnicy ok. 2-3 cm, do kupienia np. w markecie budowlanym. Wykonanie "grających rurek" będzie najłatwiejsze jeśli kupimy rurki do ciepłej wody, przeznaczone do klejenia. Takie rurki można łatwo ciąć wykorzystując specjalne nożyce, do kupienia w tym samym markecie. Rurki do zimnej wody wykonane są z twardego plastiku i trzeba przecinać je piłą,
  • papier kolorowy do oklejania rurek,
  • kolorowe balony,
  • piła do cięcia plastiku lub metalu, jak ktoś chce, może kupić "prawdziwe" nożyce do cięcia rur PCV
  • drobny papier ścierny,
  • gumki recepturki,
  • miarka.
Zestaw elementów do wykonania doswiadczeń
 Rys. 1 Zestaw elementów do wykonania doświadczeń

2. Wykonanie

Zbudowanie instrumentu polega na pocięciu długiej rury PCV na rurki o ściśle ustalonych długościach, tak aby można było ich użyć do wzmacniania dźwięków z muzycznej gamy. Poniżej przedstawiamy tabelkę długości rurek dla dźwięków gamy:


dźwięk
częstotliwość[Hz]
długość rurki[cm]
kolor
c­1
261,6
31,68
d­1
293,7
28,22
e­1
329,6
25,11
f­1
349,6
23,70
g­1
391,9
21,15
1
440,0
 
18,84
h­1
493,9
16,75
c­2
523,3
15,84
 Tabela 1. Długości rurek dla kolejnych dźwięków gamy.

Po ucięciu rurek odpowiedniej długości warto „wypolerować” końcówki papierem ściernym i przykleić pasek papieru w odpowiednim kolorze. Już w tym momencie instrumenty są gotowe do grania – dźwięki wydobywamy uderzając otwartą dłonią w wylot rurki, tak jak na rysunku 2.

granie 1  granie 2 
 Rys. 2. Wydobywanie dźwięków z rurki bez balonika.  Rys. 3. Wydobywanie dźwięków z rurek z balonikami.

Kolorowe baloniki służą jedynie do usprawnienia instrumentów. Baloniki należy pociąć na mniejsze kawałki i naciągnąć na rurki mocując gumkami recepturkami, bądź gumowymi pierścieniami wyciętymi z ustnika balonu. Teraz aby wydobyć dźwięk wystarczy lekko uderzyć palcem w naciągniętą gumę, tak jak na rysunku 3. Sugerujemy użyć takich barw baloników jak w tabeli 1. Wszystkie rurki można spiąć razem tworząc model organów tak jak na rysunku 4. Ciekawe może być wykonanie doświadczenia całą klasą. Rurki z oznaczonymi kolorami należy rozdać uczniom, a na tablicy umieścić kolorową transkrypcję melodii. Kiedy nauczyciel pokazuje kolejne kolorowe pola, zadaniem uczniów jest uderzenie w rurki im odpowiadające. W załącznikach umieszczamy kilka transkrypcji popularnych melodii.

gotowy instrument 
 Rys. 4. Gotowy instrument.


piszczałka




3. Skąd się biorą dźwięki?

Uderzając w wylot rurki wypychamy z jej wnętrza trochę powietrza. Ciśnienie w rurce jest przez moment mniejsze niż ciśnienie atmosferyczne wokół niej i chwilę potem powietrze jest ‘zasysane’ z otoczenia, powodując jednak powstanie nadciśnienia wewnątrz rurki. Proces wielokrotnie się powtarza ze słabnącą amplitudą. Rozchodzące się od drugiego wylotu rurki zagęszczenia i rozrzedzenia powietrza odbieramy jako dźwięk. Opisany proces jest najefektywniejszy (trwa najdłużej z duża amplitudą) w przypadku rezonansowym, czyli gdy fala powietrza poruszającego się wewnątrz rurki tworzy fale stojącą zgodnie ze schematem na rysunku obok. Przy uderzanym końcu rurki wahania ciśnienia są najmniejsze co symbolizuje węzeł fali na rysunku obok. Zgodnie z wcześniejszym opisem przy drugim wylocie rurki jest strzałka fali, tzn. powietrze porusza się tam z największą prędkością, a wahania gęstości powietrza są tam największe. Ze schematu obok wynika, że rurka jest cztery razy krótsza niż długość fali dźwiękowej, która się z niej wydobywa.
Aby obliczyć długość rurek należy posłużyć się częstotliwościami dźwięków gamy podanymi w tabeli 1. oraz wzorem, wiążącym prędkość fali dźwiękowej V z jej częstotliwością f oraz długością fali l:

V = f  l

W obliczeniach przyjęto V = 331,5 m/s. Rurki są cztery razy krótsze niż długość fali dźwiękowej, którą wywołują, więc z powyższego wzoru można wyznaczyć ich długość:
L=V/(4f).

 

 

Grające rurki w akcji

 

A oto inna wersja, bez membrany z balonika