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  • 19.01.2011

Physik liegt in der Luft

Prof. Reimund Gerhard erklärt, wie mit Instrumenten Töne erzeugt werden

Alljährlich im Herbst besuchen rund 2000 Mädchen und Jungen die Vorlesungen der Potsdamer Kinderuni. In den PNN gibt es jetzt die Vorträge von Wissenschaftlern der Universität Potsdam zum Nachlesen. Heute erklärt der Physiker Professor Dr. Reimund Gerhard die Bedeutung von Schwingungen in der Musik.

Wenn ein Konzert erklingt, können wir getrost die Augen schließen und uns ganz auf unser Gehör verlassen. Denn Musik kann man ja nicht sehen. Unsichtbar kommen die Töne aus den Instrumenten heraus und fliegen durch die Luft zu unseren Ohren. Doch wer neugierig ist, der hält die Augen offen und schaut den Musikern dabei zu, wie sie mit Geige, Pauke oder Trompete die verschiedenen Töne erzeugen.

Der Geiger, zum Beispiel, streicht mit einem Bogen über die Saiten seiner Violine. Solch ein Bogen ist mit Pferdehaaren bespannt, die wiederum mit einem klebrigen Harz behandelt werden. Dieses Harz heißt Kolophonium und sorgt dafür, dass die Haare nicht einfach auf den glatten Saiten hin und her rutschen, sondern sie immer ein wenig festhalten und wieder loslassen. Das bringt die Saiten des Instruments zum Schwingen. Und dabei entstehen die Töne. Würde man neben dem Geiger sitzen und die Saiten berühren, dann könnte man dieses Wackeln und Vibrieren spüren.

Man kann aber auch die Fingerspitzen an den eigenen Kehlkopf legen und mit geschlossenen Lippen eine Melodie summen. Denn unsere Stimmbänder funktionieren ganz ähnlich. Die Luft, die wir durch sie hindurchpressen, bringt die Bänder zum Schwingen.

Je langsamer die Bänder schwingen, desto tiefer ist ihr Ton. Schwingen sie schneller, so geht der Ton in die Höhe. In der Physik wird die Tonhöhe als Frequenz bezeichnet. Sie gibt an, wie oft eine Saite oder ein Band oder auch die Luft in einer Flöte innerhalb einer Sekunde hin und her schwingen. Um auf dem Instrument den richtigen Ton zu erzeugen, versuchen die Musiker also, die beste Frequenz zu treffen. Das ist nicht immer einfach. Wer selbst ein Instrument spielt, weiß das genau.

Die Tonhöhe hängt natürlich auch von der Länge der Saiten ab. So klingt die zierliche Geige viel höher als der mächtige Kontrabass. Das ist bei den Blasinstrumenten nicht anders. Es gibt große und kleine Flöten oder unterschiedlich lange Pfeifen in einer Orgel. Hier wird der Ton mit Luft erzeugt. Sie wird durch einen Spalt hineingeblasen, trifft auf eine Kante und bewegt sich dann im Rohr des Instruments hin und her. Bei einer kurzen Pfeife wackelt die Luft sehr schnell und der Ton klingt hoch. In einer großen Orgelpfeife aber braucht die Luft viel länger zum Hin- und Herlaufen. So entsteht ein tiefer Ton.

Auch aus der Trommel oder der Pauke kommt kein Ton heraus ohne Schwingungen. Dieses Mal ist es das geschlagene Fell, das zu wackeln und zu vibrieren beginnt. In der Fachsprache heißt das Fell Membran. Deshalb nennt man diese Instrumente auch Membranophone. Etwas anders funktioniert das mit Wasser gefüllte „singende Weinglas“. Wenn man mit einem nassen Finger über den Rand fährt, gerät das Glas selbst in Schwingungen. Das Fett auf unserer Haut wirkt dabei übrigens wie das Kolophonium, das die Geiger auf ihren Bogen streichen. Es hält das Glas kurz fest und lässt es wieder los, hält es fest und wieder los, bis es anfängt zu schwingen und zu singen.

Um die unterschiedlichen Töne in verschiedenen Lautstärken spielen zu können, brauchen die Musiker an oder in ihrem Instrument noch etwas, was man den Resonator nennt. Er kann die Schwingungen verstärken. Zum Abstimmen dieses Resonators dienen zum Beispiel die Löcher in der Flöte, die Ventile der Trompete oder das Griffbrett der Geige. Bei der Geige werden die Schwingungen direkt vom Boden und von der Decke des Instruments in die Luft übertragen.

Lautstarke Blasinstrumente haben außerdem noch einen Radiator, mit dem der Schall nach außen abgestrahlt wird. Bei der Posaune oder der Vuvuzela ist das der große trichterförmige Schallbecher. Wie der Schall anschließend über unsichtbare Wellen in der Luft zu unseren Ohren gelangt, kann man beobachten, wenn man ein Blatt Papier vor einen Lautsprecher hält. Je lauter die Musik ist, desto stärker bewegt sich das Blatt. Die Luft vibriert. Das Trommelfell in unseren Ohren ist in der Lage, diese Schallwellen wieder in mechanische Schwingungen zu verwandeln, aus denen unser Innenohr elektrische Signale für unser Gehirn erzeugt. Erst dann hören wir die Musik.

Aufgeschrieben von

Antje Horn-Conrad

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