Muzyka to drgania

Dla niektórych muzyków informacja o tym, że całe swoje życie poświęcają produkcji drgań może być niemiłym zaskoczeniem. To samo dotyczy także tych, którzy śpiewają. Setki, tysiące godzin prób, ból, łzy i emocje, a wszystko po to, by cząsteczki powietrza wyprowadzić z położenia równowagi.

Co to znaczy z położenia równowagi? To w przypadku cząsteczek powietrza, niezbyt fortunne stwierdzenie. Tlen, azot, wodór – atomy tych i wielu innych pierwiastków wchodzących w skład powietrza i tak nigdy nie są w spoczynku. Poruszają się chociażby pod wpływem różnicy temperatur czy ciśnienia (jedno z drugim jest zresztą powiązane). Jeżeli ktoś nie wierzy, niech spojrzy za okno, a najlepiej nich wyjdzie na świeże powietrze. Wiatr to właśnie ruch cząsteczek powietrza. Zimą wbijający się w ubranie jak szpilki, latem zwykle przyjemnie schładzający naszą skórę. Co ten ruch ma wspólnego z dźwiękami? Nic. Gdy wieje wiatr, cząsteczki powietrza przemieszczają się z miejsca na miejsce, jak samochody jadące szeroką autostradą. Z dźwiękami jest inaczej. Tutaj ruch bardziej przypomina zakorkowane miasto, gdzie na ulicach samochody stoją zderzak w zderzak. Albo nie, przypomina klik-klaka. Kulka z brzegu zostaje odchylona i uderza w swoją sąsiadkę, a ta w kolejną itd. Ale środkowe kulki zmieniają położenie tak nieznacznie, że nawet tego nie widać. Co nie przeszkadza im przekazywać energię. To przekazywanie energii od jednej kulki, do kolejnej dojdzie w końcu do ostatniej, która energicznie odskakuje. Podobnie jest z dźwiękiem. Cząsteczki powietrza przekazują sobie energię dźwięku tak jak kuleczki klik – laka. Z tą różnicą, że kuleczek w popularnej zabawce jest najwyżej kilka, a cząsteczek powietrza pomiędzy źródłem dźwięku a naszym uchem mogą być setki milionów.

Gęściej znaczy szybciej

Dźwięk rozchodzi się oczywiście nie tylko w powietrzu, nie tylko w gazach, ale także w cieczach i ciałach stałych. Czym gęstszy jest ośrodek, tym dźwięk szybciej się w nim rozchodzi. Na pozór to nielogiczne, ale gdyby się dłużej zastanowić… Skoro cząsteczki przekazują energię dźwięku nie jak posłańcy poruszający się na dużych odległościach, tylko raczej jak ludzie czekający w kolejce, czym bliżej siebie będą cząsteczki, tym szybciej dźwięk będzie przekazywany. Tym więcej energii zostanie przekazanej dalej. W powietrzu dźwięk porusza się z prędkością około 1200 km/h. W wodzie prędkość dźwięku jest prawie 5 razy większa i wynosi około 5400 km/h, a w stali wibracje poruszają się z prędkością bliską 18 000 km/h. Z drugiej strony, gdy cząsteczek nie ma wcale, albo gdy są bardzo daleko od siebie, dźwięk nie jest przekazywany w ogóle. W próżni panuje idealna cisza.

Dźwięki można wytwarzać na wiele różnych sposobów. Wytworzenie, to zwykle jednak za mało. Żeby były słyszalne, trzeba je wzmocnić. I mowa tutaj nie o mikrofonach i głośnikach, tylko o wzmacnianiu dźwięków przez same instrumenty. Człowiek wydaje dźwięki bo powietrze wychodzące z płuc, wprawia w drgania cienkie błony zwane strunami głosowymi. Dźwięki wydawane przez człowieka wzmacniane są w klatce piersiowej. W wielu instrumentach dźwięk wzmacnia pudło rezonansowe. W innych, są za to odpowiedzialne tzw. fale stojące. Sporo w tym fizyki, ale ciekawsze od tego jest to, co dzieje się z dźwiękiem po „opuszczeniu” instrumentu.

To oczywiste że drgania mogą być mocniejsze, albo słabsze. Wtedy dźwięk jest głośniejszy, albo cichszy. Ale to nie jedyna cecha drgań. W końcu ten sam dźwięk grany na skrzypcach i na pianinie różnią się od siebie. Falę wyobrażamy sobie jako sinusoidę (góry i doliny). To wyobrażenie jest jak najbardziej prawidłowe, tyle tylko, że trochę wyidealizowane. W rzeczywistości „górki” i „doliny” nie są gładziutkie, tylko składają się z wielu mniejszych „góreczek”. To w tych nieregularnościach zawarta jest informacja o dźwiękach. Nie o ich głośności, ale o ich brzmieniu. Jak to rozumieć, że w czymś zawarta jest informacja o brzmieniu?

Kostki na całe życie

W końcu fala akustyczna (czyli drganie od cząsteczki do cząsteczki) dojdzie do ucha, a konkretnie do błony bębenkowej. Od środka jest ona połączona z trzema kosteczkami – młoteczkiem, kowadełkiem i strzemiączkiem. To najmniejsze kości w całym ciele człowieka. I co ciekawe, od urodzenia do śmierci nie zmieniają one swoich rozmiarów. Nie rosną – jak wszystkie inne kości naszego organizmu. Trzy wspomniane kosteczki przenoszą drgania błony bębenkowej w głąb ucha, ale to nie jedyna ich funkcja. Są tak ze sobą połączone (na zasadzie dźwigni), że znacząco te drgania wzmacniają. Aż o 20 razy!

Kosteczki słuchowe przenoszą drgania do ślimaka. To zakręcony kanał, który jest wypełniony płynem. We wnętrzu kanału znajdują się czułe na drgania cieczy komórki. Wibracje powietrza na zewnątrz ucha, przez zmyślny system zamieniane są na wibracje płynu wypełniającego ślimak. A tam, drgania płynu zamieniane są na impulsy nerwowe. I w zasadzie dopiero od tego momentu można mówić o „słyszeniu”. Ucho nie słyszy, tylko zamienia drgania cząsteczek powietrza na impulsy elektryczne. To mózg tym impulsom nadaje znaczenie i interpretacja. To dopiero w zakamarkach mózgu odpowiedniej sekwencji impulsów elektrycznych przypisywane są dźwięki skrzypiec czy trąbki. To mózg, a nie ucho rozróżnia i potrafi nazwać te same dźwięki grane przez różne instrumenty.

Słuch jest pierwszym zmysłem człowieka. Już w pierwszych tygodniach życia płodowego, wykształcają się organy słuchowe. Długo przed porodem, dziecko słyszy. Słuch jest jedynym zmysłem, który tak wcześnie pozwala poznać dziecku świat zewnętrzny. Zaraz po porodzie dziecko prawie nie widzi. Słyszy doskonale i odczuwa zapachy. Od kilku lat wiadomo, że dziecko uczy się naśladować dźwięki, jakie słyszało jeszcze przed urodzeniem. W czasopiśmie Current Biology grupa francuskich i niemieckich uczonych opublikowała raport z którego wynika, że zaraz po urodzeniu dzieci płaczą zgodnie z melodią języka biologicznej matki. Francuskie noworodki na przykład płakały z intonacją wznoszącą się, a niemieckie z intonacją opadającą. To odzwierciedla melodię charakterystyczną dla tych języków. Dziecko rozwijając się w łonie matki, choć nie rozumie znaczenia słów, uczy się naśladować melodykę języka. Po co? Inne badania wskazują, że gdy płacz dziecka ma podobną „strukturę” jak język matki, noworodkowi łatwiej jest przyciągnąć uwagę swojej rodzicielki.

Muzyka to drgania cząsteczek powietrza. Brzmi wręcz banalnie prosto. Ale z prostotą ma niewiele wspólnego. Te drgania, ich wydobywanie, przenoszenie, rejestrowanie i interpretacja, to jedno z najciekawszych zagadnień w przyrodzie.