یک فعالیت علمی موزون از دوستداران علم

مقدمه:
عید نوروز، تعطیلات تابستان و یا اعیاد دیگر سال، روزهای بسیار خوبی هستند. در این روزها خانواده‌ها دور هم جمع می‌شوند. معمولاً روی میزها غذاهای رنگارنگ در ظرف‌های مختلف و نوشیدنی‌هایی در لیوان‌های کوچک و بزرگ سرو می‌شود. آیا می‌دانید که می‌توانید با استفاده از لیوان‌های پایه‌دار بستنی‌خوری موسیقی بنوازید؟ شاید قبلاً این کار را انجام داده باشید. اما آیا تا به حال به این نکته اندیشیده‌اید که چرا لیوان بستنی‌خوری می‌تواند صداهای مختلف تولید کند؟ در فعالیت علمی امروز، در می‌یابید که نه تنها می‌توانید لیوان‌ها را به تولید صوت وادارید، بلکه می‌توانید نت‌های مختلف را تولید کنید. در نهایت می‌توان با این لیوان‌ها یک قطعه آهنگ کوتاه را نواخت.


پیش‌زمینه:
از دوره‌ی قرون وسطی تولید موسیقی با استفاده از لیوان کار رایجی بوده است. اولین آلت موسیقی که ردیفی از لیوان‌های بستنی‌خوری را شامل میشد، هارپ لیوانی یا چنگ لیوانی نام دارد و در سال ۱۷۵۰ اختراع شده است. حدود ده سال بعد، بنجامین فرانکلین، یکی از بنیان‌گذاران کشور ایالات متحده‌ی امریکا، یک نسخه‌ی مکانیکی از چنگ لیوانی را ساخت و آن را هارمونیکای لیوانی نامید. هر دوی این آلات موسیقی صوت را به وسیله‌ی اصطکاک تولید می‌کنند. این یعنی چه؟

هنگامی که شما انگشت مرطوب خود را در امتداد لبه‌ی لیوان قرار می‌دهید، انگشت شما به لیوان چسبیده و هنگام حرکت، مقاومت یا اصطکاک را تجربه می‌کند. آب روی انگشت شما، موجب لغزش انگشت روی لیوان می‌شود. در حقیقت آب مانند یه لایه‌ی روان کننده عمل می‌کند و موجب کاهش اصطکاک می‌شود. هنگامی که فشار و میزان رطوبت در حدود معینی باشد، حرکتی موسوم به لغزش-چسبندگی (اصطکاک جزئی میان انگشت و لبه‌ی لیوان) ایجاد می‌شود.

این حرکت منجر به تولید ارتعاش در دو طرف لیوان می‌شود. لبه‌های لیوان ارتعاش را به هوای پیرامونی انتقال می‌دهند و در نتیجه یک موج صوتی با فرکانس معین تولید می‌شود. فرکانس آهنگ ارتعاش را مشخص کرده و معمولاً با واحد «بر ثانیه» یا «هرتز» بیان می‌شود. برای همه‌ی اشیا یک فرکانس ویژه وجود دارد که در آن، به آسانی ارتعاش انجام می‌شود. این فرکانس ویژه، فرکانس تشدید نام دارد. در مورد لبه‌های لیوان، این فرکانس در محدوده‌ی شنوایی انسان قرار دارد. محدوده‌ی شنوایی انسان بین ۲۰ تا ۲۰۰۰۰ هرتز است. به همین دلیل ما می‌توانیم صدایی را که از فرکانس تشدید لیوان تولید می‌شود، بشنویم.

حال به سراغ ساخت یک موسیقی با استفاده از لیوان‌های بستنی خوری برویم!

مواد و وسایل مورد نیاز:
چند لیوان پایه‌دار بستنی خوری با کسب اجازه و دقت در استفاده از آن‌ها (اختیاری: در اندازه‌های و شکل‌های مختلف)

آب
ظرف اندازه‌گیری مایعات مدرج
توپ پینگ‌پونگ (اختیاری)
تیونر کروماتیک یا همان میزان کننده‌ی صدا (اختیاری، می‌توانید اپلیکیشن آن را برای تلفن همراه دانلود کنید)
پیانو یا ارگ برای مقایسه‌ی نت‌ها (اختیاری)


آماده‌سازی:
مکان مناسبی را برای آزمایش انتخاب کنید که در صورت ریختن کمی آب، مشکلی پیش نیاید.
به دقت لیوان‌ها و ظرف مدرج را به همراه آب در کنار هم قرار دهید.
دست‌های خود را با آب و صابون بشویید.

روش کار:
یک لیوان خالی برداشته و آن را مقابل خود روی میز قرار دهید.

پایه‌ی لیوان را با دست غیر تخصصی خود بگیرید.

با انگشت خشک روی لبه‌ی لیوان بکشید. چه احساسی دارید؟ آیا انگشتتان به لبه‌ی لیوان می‌چسبد؟ یا به راحتی حرکت می‌کند؟ آیا صدایی می‌شنوید؟

انگشت دست خود را با آب خیس کنید.

حال دوباره انگشتتان را روی لبه‌ی لیوان بکشید و به آهستگی به سمت پایین فشار دهید. آیا احساسی که دارید، نسبت به مرحله‌ی قبل تفاوت دارد؟ آیا صدایی از لیوان می‎شنوید؟ توجه: اگر هنوز صدایی نمی‌شنوید، سرعت حرکت دستتان را تغییر دهید و یا فشار دست را روی لبه‌ها کم یا زیاد کنید.

هنگامی که صدای لیوان را شنیدید، حرکت دست را متوقف کرده و انگشتتان را از لیوان دور کنید. آیا صوت ادامه دارد و یا در همان لحظه متوقف می‌شود؟

این بار با انگشتتان لیوان را به تولید صوت وادارید، سپس حرکت انگشت را متوقف کنید، اما آن را از روی لیوان برندارید. این بار صوت چه تغییری می‌کند؟

یک قاشق فلزی بردارید و آهسته به لبه‌ی لیوان ضربه بزنید. آیا این صدا مشابه صدایی است که با انگشتتان تولید میشد و یا صوت متفاوتی است؟

اگر از یک تیونر کروماتیک استفاده می‌کنید، نت موسیقی صوتی را که لیوان با انگشت و ضربه‌ی قاشق تولید می‌کند تعیین کنید. می‌توانید این نت را با نت روی پیانو هم مقایسه کنید. لیوان چه نتی را تولید می‌کند؟ آیا شما هم می‌توانید همان نت را بخوانید؟

حال یک سوم از لیوان را با آب پر کرده و روند قبل را دوباره تکرار کنید. این بار لیوان چه نتی را تولید می‌کند؟ آیا این نت بالاتر است یا پایین‌تر؟

هنگام اجرای آزمایش به سطح آب نگاه کنید. آیا سصح آب آرام است، یا دچار ناآرامی و ارتعاش می‌شود؟

با قاشق فلزی به آرامی به لبه‌ی لیوان آب ضربه بزنید. آیا نت یکسانی تولید می‌شود؟ یا نتی متفاوت؟

دوباره می‌توانید از تیونر کروماتیک استفاده کنید. نت‌های تولید شده هنگام کشیدن انگشت به لبه‌ی لیوان و هنگام ضربه زدن به لیوان با قاشق را با هم مقایسه کنید. فرکانس تولیدی را هم مقایسه نمایید. آیا فرکانس یکسان است، یا تفاوت دارد؟

این بار دو سوم لیوان را پر از آب کنید. دوباره با انگشتتان روی لبه‌ی لیوان را بکشید. این بار صدای تولیدی با تغییر میزان آب چه تغییری می‌کند؟ آیا نت بالاتر شده یا پایین‌تر؟

برای مرتبه‌ی آخر قاشق فلزی را به لبه‌ی لیوان بزنید. چه نتی تولید می‌شود؟

سه نتی را که با میزان متفاوت آب‌ها به دست آمد (خالی، یک سوم لیوان و دو سوم لیوان) با هم مقایسه کنید. آیا می‌توانید ارتباطی میان سطح آب در لیوان و نتی که لیوان تولید می‌کند یابید؟

در صورت استفاده از تیونر کروماتیک، دوباره از آن برای تعیین نت‌های تولید شده هنگام مالیدن انگشت به لبه‌ی لیوان و هنگام ضربه زدن به آن با قاشق استفاده کنید. می‌توانید فرکانس‌های تولیدی را هم مقایسه کنید.

اختیاری: این فعالیت علمی را با لیوان‌هایی در ابعاد و شکل‌های مختلف انجام دهید. اندازه یا شکل چه تأثیری بر نت تولید شده توسط لیوان دارند؟ آیا می‌توانید رابطه‌ی میان شکل و اندازه‌ی یک جسم را با فرکانس تشدید آن جسم حدس بزنید؟

اختیاری: یکی از لیوان‌ها را به دیگری نزدیک کرده و صوت تولید کنید. سپس با نگه داشتن انگشت روی لبه‌ی لیوان، مانع تولید صوت شوید. آیا صوت به لیوان بعدی منتقل می‌شود؟

یک لیوان دیگر برداشته و جسمی سبک، مانند توپ پینگ‌پونگ را درون آن بیاندازید. حال با انگشت لیوان را به تولید صوت وادارید. سپس به آرامی لیوان را کج کنید. مراقب باشید که توپ از داخل لیوان به بیرون نیفتد. چه چیزی مشاهده می‌کنید؟ آیا توپ به لبه‌ی لیوان تکیه دارد یا در حال حرکت است؟

مشاهده و نتیجه‌گیری:

آیا می‌توانید با انگشت خشک به لیوان بکشید و صوت تولید کنید؟ احتمالاً نه، زیرا در این حالت اصطکاک زیادی بین دست شما و لیوان وجود دارد. برای ایجاد حرکت لغزش-چسبندگی، انگشت باید کمی خیس باشد. هنگامی که همه‌ی شرایط مهیا شد، لیوان می‌بایست صوتی واضح و زیبا تولید کند. شما با سر دادن انگشت بر لبه‌ی لیوان، آن را وادار به ارتعاش کردید. شاید این ارتعاش را روی پوست انگشت خود هم حس کرده باشید. هنگامی که انگشت را از لیوان دور می‌کنید، دیواره‌های لیوان همچنان مرتعش هستند و به همین دلیل صوت همچنان تولید می‌شود. اما اگر شما حرکت انگشت را متوقف کرده و آن را روی لبه نگه دارید، مانع ارتعاش لیوان می‌شوید و در نتیجه صوت دیگر تولید نمی‌شود. در قسمت‌هایی از آزمایش که آب درون لیوان بود، حتماً ارتعاش سطح آب را دیده‌اید. این ارتعاش همان حرکت دیواره‌ی لیوان است که به آب منتقل شده است. اگر با توپ پینگ‌پونگ هم آزمایش را انجام دادید، این ارتعاش‌ها را دیده‌اید. این توپ حرکتی رقص مانند درون لیوان به خود می‌گیرد.

هر بار که با قاشق فلزی به لبه‌ی لیوان ضربه زدید، باید همان نت تولیدی با دستتان را شنیده باشید. در واقع استفاده از قاشق تنها روش دیگری برای ایجاد ارتعاش در لیوان است. اگر دو لیوان را به خوبی به هم نزدیک نگه دارید، گاهی اوقات می‌توان ارتعاش را از یک لیوان به دیگری انتقال داد. هنگام ریختن مقادیر مختلف آب درون لیوان، متوجه شدید که نت تولید شده به میزان آب درون لیوان بستگی دارد.

هرچه آب درون لیوان بیشتر باشد، نت بم‌تری تولید می‌شود. دلیل این پدیده، سنگین بودن لیوان پر از آب نسبت به لیوان خالی است. ارتعاش لیوان سنگین مسلماً دشوارتر از لیوان خالی از آب است. به همین دلیل ارتعاش تولیدی، آهسته‌تر است یا به عبارت دیگر فرکانس کمتری دارد. فرکانس کمتر به معنی صوت بم‌تر است. اگر از لیوان‌های متعدد با ابعاد و شکل‌های مختلف و با سطوح آب متفاوت استفاده کنید، می‌توانید نت‌های مختلفی را بسازید. در این صورت آیا می‌توانید یک قطعه موسیقی ساده را با چنگ لیوانی خود بنوازید؟


Maryam Doroodian

منبع:

Scientific American

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *