Ученический проект по физике

Введение.

Мы живем в мире звуков, которые позволяют нам получать информацию о том, что происходит вокруг. Звуковые волны переносят энергию, которая, как и другие виды энергии, может использоваться человеком. Но главное - это огромный диапазон выразительных средств, которыми обладают речь и музыка. Еще с древних времен звуки служили людям средством связи и общения друг с другом, средством познания мира и овладения тайнами природы. Звуки - наши неизменные спутники. Они по-разному действуют на человека: радуют и раздражают, умиротворяют и придают силы, ласкают слух и пугают своей неожиданностью.

С глубокой древности колокольный звон сопутствовал жизни народа. Своими звонами издавна славились Великий Новгород, Псков, Москва, но такого «оркестра», как в Ростове, не было нигде.

Колокол- это один из символов Руси, ее силы, веры в будущее и память о прошлом.

Чистый месяц в росе плыл,

Белый, стольный град Владимир

Звон неведомый, родимый

Над землёю рассыпал,

Перворожден и силен,

Плыл он, ритмом покоряя,

Плыл, как будто укоряя,

Из Владимирских времен.

И внимал, я - внук славян -

Чуду с гордостью и грустью,

Благосвет летел над Русью,

Новый день благословлял.

А.Пономарев

Что же является причиной звука? Посмотрим опыты.

Опыт 1. Демонстрируется звук, издаваемый камертоном.

Опыт 2. Демонстрируется звук, издаваемый вращающейся на нитке линейкой.

Причиной всех звуков является вибрация (колебания) тел, хотя обычно такие колебания незаметны. А что является источником звука в наших опытах?

Колебания вилки камертона в первом случае и линейки - во втором.

Цель исследования: Познакомиться с исконно русской традицией - колокольным звоном (звуком) и причинами его возникновения.

Задачи исследования: 1. Выявить исторические сведения о колоколах.

2. Выяснить что такое колокол.

3. Проанализировать каким образом создается колокольный звон.

4. Выяснить назначение колокольни.

5. Выяснить из чего льют колокола.

Использованный метод исследования: теоретический.

Объект исследования: колокол.

Исторические сведения.

Появился колокол на Руси в 10веке. О нем впервые упоминается в летописях 988 г. Отлит он был из меди и олова. И тогда он произнёс свой первый звук. По латыни слово "колокол" означает - созыв, по гречески - зов, по древнеиндийски - шум, крики. Первое его назначение - созывать народ в храмы. Люди верили в чудодейственную силу колокола. Многие колокола окружены тайнами. Так, колокол в маленьком испанском городе Велилья несколько раз принимался звонить сам и каждый раз предсказывал несчастья: в 1527 г. он предсказал войну с Францией, потом смерть короля Карла V, затем - эпидемию чумы, смерть наследного принца.

Давным-давно во времена княжеских междоусобиц русский князь Александр Васильевич Суздальский покорил город Владимир и взял в плен соборный колокол. Привез колокол в Суздаль, подняли его на звонницу, а он молчит. Как ни старались звонари, не смогли добиться ни звука. Испугался князь и вернул колокол во Владимир. Возвратившись на прежнее место, «пленник» зазвонил так же прекрасно, как и прежде.

Колокола, как правило, ценили. Но бывали случаи, когда уважительное отношение сменялось на гнев. И тогда колокол наказывали, как людей. Один раз набатный колокол Московского Кремля разбудил царя Федора Алексеевича и за это был сослан в монастырь. Другой набатный колокол Кремля был снят с колокольни и лишен языка за то, что призывал народ к бунту. Колокол в городе Угличе звонил в 1591 г. по поводу того, что тайно был убит царевич Дмитрий, и за это был высечен и отправлен на 300 лет в сибирскую ссылку - в г. Тобольск.

Другая подобного рода легенда связана с новгородским вечевым колоколом. По приказу царя Ивана III колокол был снят с Софийской звонницы и отправлен в Москву, чтобы не проповедовал вольницу и звучал согласно главным русским колоколам. Интересно, что до Москвы новгородский пленник не добрался: на одном из склонов Валдайских гор сани, на которых везли колокол, резко покатились вниз, испуганные кони понеслись, колокол слетел с саней и, свалившись в овраг, разбился вдребезги. Но, по преданию, какая-то неведомая сила превратила множество мелких осколков в маленькие, чудесные колокольчики. Местные жители их собрали и стали отливать по их подобию свои, разнося весть о новгородской вольнице по всему свету.

Еще один любопытный исторический эпизод. Во время войны со шведами в 1700 г. под Нарвой русские войска понесли большие потери артиллерии. Чтобы возместить утрату царь Петр 1 издал Указ, по которому довольно большой процент церковных колоколов подлежал изъятию, переплаву и превращению в орудия. Мирные колокола должны были служить военным целям.

Особое место среди всех в мире колоколов, занимает московский «Царь колокол». Начиная с XVIII в. этот колокол переливался несколько раз. 25 ноября 1735 г. литье Царь-колокола благополучно завершилось, о чем было составлено свидетельство.( 201 т 924 кг)

Царь-колокол является изумительным произведением русского колокольного искусства. Он не имеет себе равных во всем мире, как по величине, так и по весу.

После отливки Царь-колокол остался в яме, в которой его отливали. Он стоял на железной решетке, расположенной на двенадцати дубовых сваях, вбитых в землю. Над ямой было сделано деревянное перекрытие.

20 мая 1737 г. в Москве был страшный пожар, известный под названием Троицкого. Пожар охватил и кремлевские здания. Загорелась деревянная постройка над ямой, в которой стоял Царь-колокол. В яму стали падать горящие бревна. Чтобы колокол не расплавился, сбежавшийся народ стал заливать водою раскаленный металл. В результате быстрого и неравномерного охлаждения колокол дал 11 трещин, и от него откололся кусок весом 11,5 т.

Особой вехой в жизни колокола стал его подъем из литейной ямы.

Долгое время считали, что колокол вообще невозможно поднять, так как неоднократные попытки не приносили успеха. Так было в 1792 г., потом в 1819 г. Спустя два года после этого яму расчистили, застлали досками и обнесли перилами, сделали лестницу, по которой можно было спускаться вниз и осматривать колокол.

В 1836 г. вновь было решено поднять колокол и поставить его на пьедестал. Это было поручено французскому архитектору и инженеру Монферрану, строителю Исаакиевского собора и других грандиозных зданий.

Вскоре после извлечения колокола из литейной ямы на нем установили четыре кронштейна, которые поддерживают шар с бронзовым крестом.

Около двух с половиной веков минуло со времени создания Царь-колокола. Известность его с каждым годом становится все шире. Расположенный рядом с Царь-пушкой - другим уникальным образцом русского литейного искусства, удачно вписанный в архитектурный ансамбль Московского Кремля, Царь-колокол неотделим от его всемирно прославленного художественного облика.

И это только некоторые моменты в истории колоколов.

Что такое колокол?

Колокол - это «самозвучащий сигнальный музыкальный инструмент». Такое научное опре­деление дает Энциклопедический словарь. «Оп­рокинутая чаша с малиновым звоном» - опреде­ление второе, поэтическое; один из древнейших символов православной Руси, а ныне еще и при­мета ее возрождения - определение третье. Метал­лическая чаша, перевернутая вверх дном, внутри которой по центру дна подвешен металлический «язык» (см. рис.); при их взаимном перемещении (например, движении «языка» при помощи верев­ки) происходит удар о стенку чаши, и та издает звук. Это - четвертое определение - описание.

Колокольный звон.

Попробуем разобраться, каким образом создается колокольный звон, как ме­лодия звона связана с размерами, формой колокола, а также остановимся на том, из какого материала изготавливают колокола, т. е. рассмотрим два вопроса:

1)акустика колоколов;

2)из чего льют колокола.

У каждого колокола есть основной тон, соответствующий высоте его звуча­ния, и богатый, характерный только для него набор добавочных тонов - более низких и более высоких. Именно они и создают разнообразие тембров, по кото­рым различают голоса колоколов с одинаковой высотой основного тона.

Рассмотрим физический механизм звучания. При ударе языком колокола о стенку бронзовой чаши возникает ее упругое дрожание, которое представляет со­бой сумму многих собственных колебаний звуковой частоты. Эти колебания мож­но сделать видимыми, если перевернуть чашу, залить ее водой, насыпать на по­верхность воды равный слой легкого мелкого порошка, например ликоподия, и возбудить колебания. Колеблющийся участок борта звучащей чаши отгонит от себя легкие частицы. В результате на поверхности воды получатся своеобразные «звезды». Они вырисовываются при любом уровне воды. Это означает, что стена колеблющегося колокола разделена «меридианами покоя», число которых может быть 4 или 6, или 8, или 10. В те моменты, когда в данном из секторов стенка «всучивается», в соседних - она в покое.

Но есть и другие виды колебаний колокола. Чтобы представить их, перейдем от объема к плоскости: мысленно превратим колокол в круглую плоскую метал­лическую пластину. Закрепим ее в центре, насыпем тонкий ровный слой песка и приведем в колебательное движение, проводя по краю пластины смычком. На поверхности пластины образуются песчаные узоры - фигуры Хладни (название дано по имени изучавшего их немецкого ученого Э. Ф. Хладни).

Причина их образования - собственные колебания пластины: колеблющиеся секторы пластины, вспучиваясь, стряхивают с себя песок, и он собирается вдоль линий покоя. Хладниевые фигуры, таким образом, свидетельствуют о том, что пластина разделена, не только меридианами, но и параллелями покоя. Каждому сочетанию меридианов и параллелей покоя соответствует своя частота колебаний: более высоким частотам соответствует более дробная сетка линий покоя.

Аналогичные эксперименты были проделаны и с колоколом.

Звучащие участки стенок колокола и линий покоя можно обнаружить экспе­риментально и с помощью резонаторов Гельмгольца.

Можно даже составить «карту» звучания колокола.

Звучащие участки можно найти даже на ощупь, если размеры колокола вели­ки и велика амплитуда колебаний.

На протяжении многих веков литейщики колоколов искали решение вопро­сов, какими должны быть пропорции между размерами и массой, толщиной стенок в разных сечениях, какой быть форме колокола, чтобы получить гармоничес­кое звучание, т. е. такое, при котором добавочные тоны (обертоны) гармонично сочетались с основным, создавая единое прекрасное целое. Все практические находки тщательно записывались, составлялись таблицы размеров, масс, состава металла. Эти сведения часто хранились в секрете. Основные таблицы были сделаны в XVI в.

Но только в XVIII в. удалось найти такую «правильную» форму колокола, при кото­рой он звучал особенно гармонично: было значительно расширено основание и наращена нижняя часть, ей придан вид заостренной массивной «губы». Вырабо­тался тип русского колокола. В нем диаметр нижней части равен высоте колоко­ла, а диаметр верхней части - половине диаметра нижней. (Отметим для сравне­ния: китайский колокол более сжат внизу и дает глухой звук.)

В тоже время литейщики пришли к выводу, что при таком профиле колокол может давать, совмещая, три гармонических тона, но при этом сила трезвучия поглощает добавочные тона.

Несколько слов о «языке» колокола. «Язык» изготавливают из железа. Масса его обычно составляет 1/25 от массы колокола (для больших колоколов - это отношение меньше). Форма может быть различной: она зависит от способа воз­буждения звука - раскачивают ли «язык» или раскачивают колокол; первый способ - русский, второй - западноевропейский.

В начале XX в. по количеству, качеству и величине колоколов, гармонии дава­емых ими звуков Россия занимала в мире первое место.

Обратим теперь внимание на явление резонанса. Устройство колокола тако­во, что его звучание - это дуэт металла и столба воздуха в нем, который приходит в колебательное движение с частотой, равной частоте колебаний стенок, совер­шая вынужденные колебания. Чтобы собственная частота колебаний столба воз­духа совпадала с частотой колебаний стенок колокола, столб должен иметь опре­деленные параметры и ударять по нему надо в определенные моменты.

Благодаря резонансу возрастает амплитуда и энергия звуковой волны и, как следствие, - грамотность звука.

В звоне (звуке) колокола, т. е. в его звуковом спектре, присутствуют неслыш­ные звуки - ультразвук и инфразвук. Наше ухо не воспринимает их, но человек - биологическая система, и поэтому, так или иначе, отзывается на их воздействие. Человек воспринимает ухом акустические колебания от 20Гц до 20кГц. Низкий спектр акустики (40-100 Гц) стабилизирует душевное состояние, средний (100 Гц - 10 кГц) улучшает кровообращение и обмен в лимфатической системе. Не потому ли, когда бьют колокола, в душе возникают ощущение торжественно­сти, причастности к чему-то духовно высокому и светлому, ощущение неразрыв­ной связи со своей родиной, со своим народом, его историей и традициями; или, наоборот, душой овладевают печальные, тревожные чувства?

Колокол русский народный,

Колокол храма святой,

Чуден голос свободный,

Люб отголосок мне твой.

Чистые, чудные звуки

Любо душою ловить,

Или тревожные муки

В сердце больном хоронить...

Назначение колокольни.

Колокола, как мы уже говорили, размещают на колокольнях - специальных башнях с открытым верхним ярусом, стоящим рядом с храмом, или на звонницах - особых надстройках с проемами на самом храме. Колокольня Ивана Великого в московском Кремле (построенная в 1505-1600 гг.)

В их устройстве тоже используются явление резонанса, причем с древних вре­мен. Так, в верхней части колоколен и звонниц, их шатрах (см. рис. 1) распола­гаются «слухи» (2) - отверстия (окошечки, убывающие по величине к вершине) для резонанса звука. Размеры отверстий делаются такими, чтобы частота колебаний столба воздуха в них совпадала с частотой звучания колокола, («звона») (3). Кроме того, в толщу стен барабанов (4) иногда встраивают пустые глиняные кувшины или горшки - «голосники», которые выполня­ют такую же роль, как и «слухи».

В роли резонатора выступает также просторное и пустое пространство перво­го этажа звонниц, а в колокольне - весь внушительный по высоте (не в один деся­ток метров) столб воздуха в ней.

На звонницах и колокольнях размеща­ли обычно сразу несколько колоколов, на­пример на звоннице Ростовской соборной церкви их было 13. Звон каждого дополняет звучание других, создавая согласие и гармонию звука, неповторимую мелодичность и выразительность. Такая музыкаль­ность обеспечивается еще и тем, что профили колоколов (их форма) несколько отли­чались друг от друга; как именно - это мастера обыкновенно держали в секрете.

Русские зодчие умело использовали для усиления и создания особенностей распространения звука окружающий ландшафт (вид местности).

Обратимся, например, к Ростовской звоннице, что находится в Ярославской области в городе Ростов Великий; построена она в XVII веке. Звук ее колоколов, усиленный в пространстве первого этажа, беспрепятственно устремляется нару­жу, плавно «переливается» через некрутой склон, на котором возвышается вместе с Ростовским кремлем звонница, и сразу же оказывается в другом «резонаторе», еще более внушительном по размерам - пространстве над гладью озера Неро. Здесь звон колоколов становится особенно, мягким и мелодичным.

Из чего льют колокола?

Колокола отливали во многих странах мира. Но нигде колокольное дело не достигло такого совершенства, как в России. Как же отливали колокола в России? Создание колокола было большим событием для города, где его делали. Великими мастерами литья колоколов считаются Филипп Андреев, Емельян Данилов, Флор Терентьев, отец и сын Моторины, Андрей Чохов, Семен Можжухин.
Большой ли, малый ли колокол делал мастер, работа его шла путем, проторенным прадедами. Строили печи (одну или несколько). Около нее вырывали глубокую яму. В яме сначала из кирпича выкладывали конус, который обмазывали глиной. Специальным вращающимся шаблоном эту глину выравнивали, выглаживали, чтобы придать ей форму, задуманной мастером внутренней поверхности будущего колокола; этот глиняный слой называли не очень почтительно - «болван». Поверхность «болвана» красили особой краской, составленной из просеянной золы, разведенной в мыльной воде, а сверху смазывали салом, чтобы последующий слой глины не прилипал к ней. Затем поверх «болвана» слой за слоем наносили глиняную «рубашку», создавая модель тела колокола. Ее тоже выравнивали шаблоном и тоже красили специальной краской. Чтобы украсить поверхность колокола, мастер лепил в формочках буквы, разные фигурки и прикреплял их к поверхности «рубашки». Когда «рубашка» (глиняный колокол) была готова, делали верхнюю часть формы - «кожух», который был по сути разборным слепком с глиняной части модели.

По специальному желобу в форму выпускали из печи жидкий металл - "колокольную" бронзу. Многовековой опыт русских мастеров показал, что из всех материалов наи­лучший для изготовления колоколов - бронза, состав которой: 4 части меди и 1 часть олова (80 и 20% соответственно). Этот сплав слабо рассеивает механи­ческую энергию за период колебания: у бронзы доля рассеяния наименьшая - 0,005, в то время как у меди - 0,03, латуни - 0,015, стали - 0,035.

Другие характеристики бронзы таковы:

плотность д=8800 кг/м3;

модуль Юнга Е - 1,0 . 10¹¹ Н/м²;

температура плавления t = 880 ^оС;

твердость по Бринеллю 7,5 . 10⁸ Н/м²;

Медь и олово - мягкие материалы, но в сплаве делаются твердыми. Цвет сплава - серовато-стальной, вид - однородный. В сплаве присутствуют и при­меси (этого просто не избежать): наибольшее количество свинца (около 2 %), цинка (1,2 %), железа (1,2 %); но это вредные примеси: так, наличие свинца сни­жает звонкость и твердость. При литье колоколов важно соблюдать процентное соотношение олова и меди в материале, поскольку избыток олова придает коло­колу звонкость, но делает бронзу более хрупкой.

Список литературы:

1. Владышевская, Т.Ф. Древнерусские колокола и звоны / Т.Ф.Владышевская.// Русское возрождение. Нью-Йорк-Москва-Париж, 1998. - №2(72). - С.63-94.

2. Иоффе П. Колокола и пушки. / Хочу всё знать. Научно-худ. сб-к. Сост.А. Томилин. - Л.: Дет. лит., 1983. - с. 142-146.

3. Лифанова, Н.Ф. Всё о колоколах и колокольных звонах / Н.Ф.Лифанова. //Физика в школе. - 2002. - №3. - с.46.

4. Покровский, А.М. О музыкальном значении звонниц /А.М.Покровский.// Музыка колоколов: Сб. исследований и материалов. СПб. 1999. - С. 212-221.

5. Шатов, А.И. О колоколах Русской Православной церкви /А.И.Шатов.//Русское Возрождение. Нью-Йорк-Москва-Париж. 1998. - № 2 (72). - C. 167-177.

11