10 Verbindungen zwischen Physik und Musik

Musik entsteht nicht aus zufälliger kreativer Inspiration. Songs sind kein Chaos . Stattdessen beinhalten sie Struktur, Muster, Wiederholung und andere Merkmale, die sie für das menschliche Ohr erkennbar machen. Letztendlich ist Musik eine Art Wissenschaft – eine faszinierende, pulsierende Art von Klang, der durch die Hörwahrnehmung der Menschen und in das Universum dahinter späht.

Wir Menschen haben Organe, die speziell darauf ausgelegt sind, Geräusche wahrzunehmen und zu verstehen. Unsere fleischigen Ohren schnappen alle möglichen Geräusche auf, vom Zirpen der Grillen über das Hämmern von Presslufthämmern bis hin zu klassischer Musik, die durch Radiosignale strömt.

Nur wenige von uns nehmen sich jedoch die Zeit, wirklich darüber nachzudenken, wie sich diese Geräusche von einem Ort zum anderen bewegen. Und nicht viele von uns denken wahrscheinlich darüber nach, warum ein Presslufthammer nicht als Musik qualifiziert ist, aber Neil Diamond tut es (normalerweise). Es ist nicht nur ein subjektives Urteil. Hinter der Musik steckt tatsächlich Wissenschaft.

Alle Musik entsteht aus den Prinzipien der Physik und Mathematik. Tatsächlich betrachteten einige Akademiker vor Jahrhunderten das Studium der Musik als eine Art Wissenschaft. Sie galt neben Mathematik , Geometrie und Astronomie als wichtige Disziplin.

Heutzutage sind sich die meisten Menschen einig, dass Musik wichtig ist, aber sie erhält möglicherweise nicht den wissenschaftlichen Respekt, den sie sollte. Ob Sie The Bangles oder Boards of Canada hören, vielleicht verdient der wissenschaftliche Stammbaum der Musik einen genaueren Blick.

Alles andere im Universum ist miteinander verbunden. So auch Musik und Physik. Lesen Sie weiter und Sie werden sehen, wie Physik und Musik miteinander verwoben sind.

1. Bewegen Sie Ihre Hände in der Luft
2. Hertz so gut
3. Stehende Wellen
4. Mustererkennung
5. Verstärke deine Amplitude, Alter
6. Beängstigende Einmischung
7. Eigenfrequenz
8. Widerhallende Resonanz
9. Schwingende Offenbarung
10. Zeit und Vorfreude

Schall besteht aus Wellenarten, einschließlich mechanischer Wellen , Longitudinal- und Druckwellen . Vibrierende Objekte erzeugen diese Wellen, die sich anschließend durch ein Medium wie Luft oder Wasser ausbreiten.

Rütteln Sie an einem Ende an einer wackeligen Feder. Die Vibrationen , die Sie erzeugen, bewegen sich von einem Ende zum anderen, wenn Energie durch jede Spule übertragen wird. Dies ist eine Art mechanische Wirkung, da jedes Teilchen der Feder die anderen beeinflusst. Wenn Musik aus einem vibrierenden Lautsprecher kommt, vibriert sie in ähnlicher Weise die Luftpartikel in der Nähe und erzeugt einen Welleneffekt, der die Musik aus der Ferne hörbar macht.

Diese mechanische Wirkung wird als longitudinal angesehen, da sich der Schall parallel zur Richtung ausbreitet, in der sich die Schallwelle bewegt. Mit anderen Worten, eine nach vorne gerichtete Schallwelle bewirkt, dass sich auch Schall nach vorne ausbreitet. Ziemlich einfach.

Schallwellen bestehen aus einer Reihe von Hoch- und Tiefpunkten. Wenn sie sich durch ein Medium wie Luft bewegen, werden die Luftpartikel komprimiert und dekomprimiert. Schallwellen sind also auch Druckwellen.

Durch die Kontrolle dieser verschiedenen Wellen, die wichtige Prinzipien der Physik darstellen, lernen Menschen, Musik zu machen.

Willst du einen schönen Sound machen? Lernen Sie, Schallwellenschwingungen zu kontrollieren.

Schallwellen bewegen sich mit einer bestimmten Frequenz. Die Frequenz einer Welle gibt im Grunde nur an, wie schnell oder langsam ein Medium schwingt, wenn eine Schallwelle es durchläuft. Wissenschaftler verwenden Hertz (Hz)-Einheiten, um sich auf die Frequenz zu beziehen; eine einzelne Schwingung pro Sekunde beträgt 1 Hz.

Ohren sind so konstruiert, dass sie Frequenzschwankungen wahrnehmen, da die Druckwellen eines Schalls auf das Trommelfell einwirken. Menschen bezeichnen oft verschiedene Frequenzen mit dem Begriff Tonhöhe . Ein Hochfrequenzton hat eine höhere Tonhöhe; Töne mit niedrigerer Frequenz haben eine niedrigere Tonhöhe.

Spielen Sie bestimmte Frequenzen gleichzeitig und Sie werden einen schönen Klang erzeugen. Das gilt insbesondere dann, wenn eine zweite Schallwelle beispielsweise die doppelte Frequenz der ersten hat. Wir bezeichnen dieses Szenario mit einem Frequenzverhältnis von 2:1, das auch als Oktave bezeichnet wird .

Mit einem Musikinstrument können Sie alle möglichen Frequenzverhältnisse erzeugen, z. B. 4:3 oder 3:2. Einige von ihnen klingen für das menschliche Ohr besonders gut, und wir setzen sie in Songs ein. Viel Musik ist also letztendlich eine Mischung aus Schallwellen mit ganzzahligen Verhältnissen zwischen ihren Frequenzen.

Musik besteht aus Schallwellen. Diese Wellen verhalten sich wie beispielsweise in einem See.

Wenn Sie an einem windigen Tag beobachten, wie Wellen in einen flachen Damm rollen, sehen Sie schließlich eine Wellenkarambolage rückwärts vom Damm und direkt in eine andere ankommende Welle. Das Ergebnis ist ein größerer, massiverer Wasserturm. Ebenso werden die unteren Teile der Welle noch tiefer.

Dies wird als stehende Welle bezeichnet. Wenn Sie einen Behälter in einer bestimmten Form herstellen, breiten sich Schallwellen kontrolliert aus, was zu einer vorhersagbaren, konsistenten stehenden Welle führt, die einen Ton erzeugt . Die Konsistenz eines Tons unterscheidet ihn vom Rauschen.

So helfen Hörner und Saiteninstrumente dem Spieler letztendlich, eine Reihe verschiedener stehender Wellen zu erzeugen. Geschickt gespielt, hören die Zuhörer ein Lied.

Wenn Sie auf einer Autoreise sind und das Radio einschalten , nur um einen stetigen Ein-Noten-Ton zu hören, werden Sie wahrscheinlich nicht weiter zuhören. Denn ein einzelner, unendlicher Ton ist keine Musik. Es gibt kein Muster.

Lärm ist nur ein chaotisches Durcheinander von Geräuschen. Geräusche sind beispielsweise Presslufthämmer, die durch einen Gebäudekorridor hallen, während Autos willkürlich hupen.

In der Musik entstehen Muster. Wenn Sie sich die visuelle Darstellung der Wellenmuster der Musik ansehen, handelt es sich um eine regelmäßige, vorhersehbare Auf- und Abfolge von Spitzen und Tälern. Eine Darstellung von Rauschen hat jedoch unregelmäßige Spitzen und Täler, also keine Musik . Alles, was Sie bekommen, sind seltsame, unvorhersehbare Geräusche, die auf das menschliche Ohr im Allgemeinen keinen positiven Eindruck hinterlassen. (Über Geschmack lässt sich natürlich nicht streiten – manche Leute finden Zwietracht schön.)

Nehmen wir an, Sie mögen das gelegentliche feurige Gitarrensolo . Daher kann man wahrscheinlich davon ausgehen, dass Sie die Lautstärke erhöhen, wenn das Solo seinen Höhepunkt erreicht, um den vollen Effekt zu erzielen.

Um einen lauteren (oder intensiveren) Klang zu erzeugen, hilft es, mit einer lauteren Vibration zu beginnen. Das Klopfen auf ein Schlagzeug erzeugt sanfte Klänge; Wenn er wie ein verrückter Dave Grohl darauf hämmert, macht er lautere Geräusche. Kurz gesagt, je mehr Arbeit Sie in die Erzeugung des Trommelklangs stecken, desto größer ist die Vibration und desto größer die Amplitude , die sich in die umgebenden Luftpartikel bewegt und nach außen in Richtung der anbetenden Fans strahlt.

In einem großen Konzertsaal voller lauter, betrunkener Fans wäre dieses Schlagzeug natürlich kaum hörbar. So viele Künstler verwenden elektronische Verstärker, die Schallwellen aufnehmen und die Intensität und Lautstärke erhöhen, so dass sie ein Stadion füllen (und wahrscheinlich taube Menschen machen, die zu nahe an den Lautsprechern stehen).

Schall breitet sich in Druckwellen aus, die aus Kompressionen und Verdünnungen bestehen (das Gegenteil von Kompression). Wenn Sie durch einen großen Raum schlendern würden, während Lautsprecher von einer Bühne vorne Musik spielten, würden Sie auf Bereiche stoßen, in denen die Musik lauter oder leiser war, da sich die Wellen gegenseitig stören .

Die Stellen, an denen Kompressionen aufeinandertreffen, sind lauter. Bereiche, in denen Verdünnungen kollidieren, sind weicher.

Und wo Kompressionen und Verdünnungen zusammenschlagen? Es gibt kaum bis gar keinen Ton. Wenn Architekten Konzertsäle für Musiker entwerfen, müssen sie die Akustik des Gebäudes sorgfältig berücksichtigen. Ein unsachgemäßes Design führt zu toten Stellen, an denen sich Schallwellen gegenseitig aufheben.

Dasselbe Prinzip funktioniert bei geräuschunterdrückenden Kopfhörern . Diese Kopfhörer erkennen eingehende Geräusche (wie ein Baby, das in einem Flugzeug weint) und erzeugen eine entgegengesetzte Schallwelle, die die Schreie eliminiert und Sie Mozart statt „Mama!“ genießen lässt.

In einem Konzertsaal installieren Ingenieure häufig gepolsterte Wände oder Paneele, die Schallwellen absorbieren, um Interferenzen und Funklöcher zu vermeiden. Diese Paneele reduzieren das Echo und damit die seltsamen Interferenzen, die das Hörerlebnis ruinieren würden.

Alle Materie besteht aus winzigen Atomen . Diese Atome sind ständig in Bewegung, was bedeutet, dass alle Materie bis zu einem gewissen Grad schwingt. Alle Objekte haben, wenn sie angeschlagen oder geklimpert werden, eine natürliche Frequenz (oder Frequenzen), die sie erzeugen.

Schlagen Sie auf eine Stimmgabel und sie erzeugt einen einzigen, reinen Ton, da sie nur mit einer natürlichen Frequenz schwingt. Blasen Sie jedoch Luft durch ein Saxophon, und Sie werden mehrere natürliche Frequenzen hören.

Ein Saxophonist verändert die vom Instrument kommenden Klänge, indem er die Luftmenge verändert, die durch das Horn gepresst wird, und auch, indem er die Fingerpositionen auf den Tasten ändert. Zwischen den Tasten besteht ein ganzzahliges Verhältnis, und wenn ein geübter Mensch spielt, sind die entstehenden Klänge wunderbar zu erleben.

Werfen Sie ein Weinglas auf einen Betonboden . Sie hören das natürliche, hohe, zerbrechende Geräusch, das die Eigenfrequenz des Glases anzeigt. Das ist aber keine Musik. Das ist Lärm.

Der Körper eines Musikinstruments wie einer Posaune oder Geige ist nicht das, was Töne erzeugt. Es ist die vibrierende Luftsäule im Inneren des Instruments, die das erzeugt, was wir hören.

Die Form und Größe des Instruments bestimmt jedoch die Klänge, die es erzeugt. Nur die Schallwellen, die in das Instrument passen, sind hörbar. Dies sind die Wellen, die im Instrument mitschwingen (lauter werden). Die Wellen, die nicht passen, gehen einfach verloren.

Sie können dieses Phänomen visualisieren, indem Sie sich ein Kind auf einer Schaukel vorstellen . Nachdem Sie den Schwungvorgang gestartet haben, findet der Schwung ein natürliches Tempo oder eine natürliche Frequenz. Der Versuch, schneller oder langsamer zu schieben, stört nur das Schwingen (und macht Ihr Kind sehr frustriert mit Ihnen).

Tuben schwingen bei niedrigen Frequenzen mit. Deshalb machen sie tiefe, tiefe Töne. Eine Piccoloflöte mit ihrem winzigen, kurzen Gehäuse schwingt auf natürliche Weise bei hohen, durchdringenden Frequenzen mit. Daher behalten Instrumentenbauer die Resonanzeigenschaften sehr im Hinterkopf, wenn sie jedes Stück entwerfen.

Hängen Sie eine Schnur zwischen zwei Punkte, ziehen Sie sie fest und schnappen Sie sie dann mit Ihrem Finger. Sie hören ein hörbares Geräusch. Nimm eine ähnliche Saite, befestige sie an einer Gitarre und zupfe sie dann. Wieder hörst du ein Geräusch, aber dieses Mal wird es viel lauter sein.

Ihr erfahrt einen Aspekt erzwungener Schwingung . Je größer die Oberfläche eines Objekts ist, auf das Sie schlagen oder klimpern, desto mehr kommt es in Kontakt mit dem umgebenden Medium, z. B. Luft. Es wird als erzwungene Vibration bezeichnet, weil die Luft durch das Instrument gezwungen wird, mit einer Frequenz zu schwingen, die nicht seine eigene ist.

Musikinstrumente nutzen erzwungene Schwingungen, um Töne lauter zu machen, als sie sonst wären. Ein Klavier verwendet einen Resonanzboden, und eine Geige hat einen Hohlkörper, der am Griffbrett befestigt ist. Beide helfen, die Lautstärke für die Zuhörer zu erhöhen.

Die Muster der Musik verbinden die Zeit mit dem, was sonst nur Lärm wäre. Ein Raum voller Menschen, die unabhängig voneinander Instrumente spielen, macht nichts als einen ohrenbetäubenden Lärm. Wenn sie ihre Instrumente jedoch im Takt desselben Notenblatts spielen, ist das Ergebnis verblüffend. Es ist Musik .

Doch nicht nur die Spieler verstehen diese Songs. Auch das Publikum nimmt Melodien auf und lernt Refrains und Refrains zu antizipieren. Selbst wenn Sie einen bestimmten Song noch nie zuvor gehört haben, beginnen Sie fast instinktiv, die Struktur, das Muster und das Timing eines Songs zu verstehen.

Dies spricht für eine Ebene der Verbundenheit, die auf die Physik zurückgeht. Es ist vielleicht nicht ganz die Quantenmechanik , aber es ist eine weitere Schnittmenge – von vielen – an der Musik und Physik kollidieren.

Anmerkung des Autors: 10 Verbindungen zwischen Physik und Musik

Ob wir es erkennen oder nicht, wir alle sind mit Musik und Physik im Einklang. Wir klatschen und singen Lieder aus dem Radio mit. Wir planschen in Badewannen herum und lernen, die Wellen zu kontrollieren (manchmal machen wir dabei eine riesige Sauerei). Intuitiv erkennen wir Resonanz, Frequenz, stehende Wellen und andere abstrakte Begriffe, ohne genau zu wissen, was sie bedeuten. Einige Menschen, wie die Bachs und Mozarts der Welt, begreifen diese Konzepte fester und wenden sie mit der Disziplin wahrer Wissenschaftler an.

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