La forma del suono – Laboratorio STEAM

Se lanciamo un sasso nell’acqua immobile di uno stagno, si creano una serie di piccole onde sulla superficie che si allontanano dal punto d’impatto a cerchi concentrici. Analogamente se produciamo un suono nell’aria, si creano una serie di piccole onde nello spazio circostante che si allontanano dal punto in cui è stato creato a sfere concentriche. Quando la corda di uno strumento musicale vibra, ad esempio, mette in vibrazione le particelle d’aria che gli sono immediatamente adiacenti, producendo una serie ritmica di compressioni e rarefazioni che si propagano verso l’esterno. Il suono, così prodotto, viaggia nell'aria prima di raggiungere il nostro orecchio, colpire il timpano ed essere reinterpretato come un suono più o meno piacevole dal nostro cervello. Ma che forma ha un suono?

Più di duecento anni fa, lo scienziato e musicista tedesco Ernst Chladni fu un pioniere nello studio della forma del suono. Utilizzando una sottile lastra di metallo, leggermente cosparsa di sabbia e messa in vibrazione tramite un archetto di violino sfregato in un punto del bordo, mostrò quali figure sorprendenti e belle tali vibrazioni potevano creare su superfici meccaniche.

Più o meno negli stessi anni, Margaret Watts Hughes fece osservazioni ed esperimenti sulla forma del suono e raccolse i risultati ottenuti nell’opera The Eidophone; Voice Figures: Geometrical and Natural Forms Produced by Vibrations of the Human Voice (1904), un libro nel quale descriveva e analizzava i motivi geometrici prodotti dalla risonanza della sua voce e di altre voci attraverso l’utilizzo di un dispositivo da lei inventato, chiamato “eidofono”.

Altri importanti contributi alla visualizzazione del suono vennero dal caleidofono di Charles Wheatstone e dalle figure di Jules Antoine Lissajous. L’insieme delle loro ricerche e risultati sono stati alla base della moderna comprensione scientifica del suono e hanno ispirato molti ricercatori che in seguito hanno esteso e migliorato i loro studi.
Ascoltare suoni è divertente, ma riusciamo a vederli anche noi?

MATERIALE

• Un grande contenitore cilindrico
• Un tubo cilindrico più piccolo (ad esempio, tubo di carta assorbente)
• Un pennarello nero
• Colori acrilici
• Sale (in alternativa zucchero o sabbia)
• Altoparlante wireless portatile
• Ciotola in vetro o altro materiale (abbastanza grande da contenere l’altoparlante)
• Telefono cellulare
• Pellicola di plastica
• Nastro adesivo
• Forbici o taglierino

Fase uno: costruiamo l'eidofono

Prendiamo il grande contenitore cilindrico e il tubo più piccolo. Più o meno a metà dell’altezza del cilindro grande, posizioniamo il tubo cilindrico in modo che tocchi con una delle due estremità la superficie esterna del cilindro grande. Ricalchiamo con il pennarello il bordo circolare del tubo.
Usando con attenzione il taglierino, pratichiamo un foro tagliando lungo il bordo del cerchio ottenuto. Inseriamo il tubo nel foro e fissiamolo al cilindro grande con del nastro adesivo. Non importa se il buco non è perfetto.

Posizioniamo la pellicola di plastica sopra l’estremità aperta del cilindro grande, in modo che aderisca perfettamente al bordo e formi una superficie piatta e ben tesa come quella di un tamburo. Usiamo, se necessario, del nastro adesivo per fissarla meglio ed evitare che si allenti. L’eidofono è pronto!

Cospargiamo del sale sulla superficie della pellicola e parliamo all’interno dell’estremità libera del tubo cilindrico. Cosa accade? Il suono della nostra voce produce vibrazioni sulla pellicola, che fanno “saltellare” i granelli di sale. Come si comportano i granelli di sale se parliamo a bassa voce? E se lo facciamo a voce alta? I granelli di sale formano figure particolari? Quest’ultima richiesta non è semplice, ma può essere una sfida interessante da proporre agli studenti. Un suggerimento: proviamo a mantenere lo stesso tono di voce per un tempo prolungato.

Fase due: dalla voce alla musica

Prendiamo la ciotola da cucina e posizioniamo sul fondo della ciotola l’altoparlante wireless con la cassa rivolta verso l’alto. Associamo l’altoparlante al cellulare.

Copriamo la parte superiore della ciotola con della pellicola trasparente, in modo che aderisca perfettamente al bordo, come nella fase uno. Solo quando la pellicola è perfettamente piatta, fissiamola con un anello di nastro adesivo lungo il bordo esterno della ciotola. Se serve, possiamo costruire una barriera per garantire che il sale non cada oltre il bordo oppure possiamo mettere l’apparato dentro un recipiente più grande che possa raccogliere il sale che eventualmente cadrà.

Cospargiamo un’adeguata quantità di sale sulla pellicola in modo che la copra quasi completamente. Riproduciamo un brano o un campione sonoro attraverso l’altoparlante, iniziando con un volume basso per poi aumentare gradualmente il volume. Se necessario, aggiungiamo altro sale. In che modo il volume e il tono del suono influiscono sul movimento del sale? Osserviamo la stessa cosa che accadeva con l’eidofono o cambia?

A questo punto, proviamo a ottenere delle figure particolari. Per farlo, abbiamo bisogno di un generatore di frequenze che possiamo scaricare gratuitamente da Google Play Store o da App Store. Ci aiuterà a produrre suoni costanti alla frequenza desiderata di durata sufficientemente lunga da permettere ai granelli di sale di posizionarsi in maniera tale da formare figure particolari, dotate di una certa regolarità.

ATTENZIONE: La riproduzione di suoni ad alto volume può danneggiare le orecchie o l’altoparlante. Usiamo un volume sicuro e indossiamo i tappi per le orecchie, se siamo particolarmente sensibili a suoni alti.

Fase tre: dal sale ai colori

Ripetiamo lo stesso esperimento della fase due, usando stavolta colori acrilici al posto del sale. Versiamo i colori sulla pellicola, alziamo al massimo il volume dell’altoparlante e mandiamo in esecuzione la nostra canzone preferita. Le vibrazioni fanno piegare e torcere i vari colori in modo che ciò che si forma è una rappresentazione visiva analogica della canzone. Interrompiamo la musica quando l’immagine ottenuta ci piace. Aspettiamo che si asciughi e trasferiamo l’opera su un supporto più stabile. Il gioco è fatto!

Fase quattro: giochiamo, sperimentiamo, riflettiamo

Il suono può viaggiare nell’aria, ma anche attraverso altri mezzi come liquidi e solidi. Associato al suono c’è la frequenza, misurata in hertz (Hz), che può essere definita come una misura della velocità con cui la particella vibra avanti e indietro. Più velocemente vibra l’onda, più alta sarà la frequenza e più alto sarà il tono del suono percepito.

Apriamo in questa fase un dialogo aperto con gli studenti e lasciamoli liberi di sperimentare, sostituendo la ciotola usata in fase due con altri contenitori di diverso materiale oppure utilizzando direttamente una cassa acustica più grande, come fa l’artista Christopher Cruse, che posiziona una lastra di plexiglass sopra l’altoparlante modificato di un amplificatore per chitarra Fender. Il risultato cambia? Da cosa dipende?

Queste esperienze potrebbero anche essere un utile punto di partenza per un approfondimento sul funzionamento del nostro apparato uditivo, in particolare del timpano.

Il suono tra scienza e arte

Oltre a riconfermare quanto sperimentato da Chladni e dalla Hughes, il medico e naturalista svizzero Hans Jenny sviluppò il suo lavoro secondo criteri razionali e con esperimenti ripetibili e coniò il termine “cimatica” per spiegare gli impatti acustici dei fenomeni delle onde sonore. Da molti ancora ritenuta una pseudoscienza, la cimatica ha comunque prodotto risultati interessanti soprattutto nell’indagine dei legami tra lo schema generale di un evento e i singoli processi che lo compongono.

Il passo successivo fu l’utilizzo di membrane di altoparlanti al posto delle superfici per catturare l’immagine del suono. Questo portò alla creazione del “CymaScope”, il primo strumento che permette di trasformare le vibrazioni dell’acqua in sfere multi-dimensionali in movimento.

Da questo momento in poi, molti esperimenti sono stati condotti con diversi supporti multimediali per rappresentare le immagini delle onde sonore. Gli artisti di questo particolare genere sono come degli illusionisti, che usano prismi per creare forme che si raggruppano in immagini, provando a rispondere a domande del tipo: “Come suona un colore?” oppure “Come è possibile suonare un quadrato o un ottagono su uno strumento?”

Ad esempio, questa visione multi-dimensionale è un elemento importante per la musica dance elettronica, ma anche per alcuni artisti moderni come il musicista Nigel Stanford, che all’interno del suo progetto intitolato “Cymatics” ha realizzato un video musicale dove la visualizzazione del suono avviene attraverso la sua interazione con materiali diversi come l’acqua, il fuoco, la sabbia e il gas, e l’artista e fotografo Martin Klimas, che posiziona vernici colorate su una tela sopra il diaframma di un altoparlante per realizzare sculture sonore che provano a rispondere alla domanda “Che aspetto ha la musica?”.