Исследовательская работа "Колокола и физика"

Управление образования

администрации Арзамасского района

МБОУ «Красносельская сш»

Исследовательская работа

по физике на тему:

«Колокола и физика»

                Выполнили:

ученицы 7 класса

Киселёва Анастасия

Спирина  Евгения

 Проверил:

учитель физики

Кравченко Л.И.

2014г.

Оглавление       

1. Введение………………………………………………………………….. стр. 1

2. Общие сведения о колоколах

2.1. Колокола и колокольный звон с точки зрения физики………………стр. 2-4

2.2. Строение колокола. Материал и процесс изготовления колокола………………………………………………………………………стр.4-8

3.Экспериментальная часть (установление зависимость колокольного звона от некоторых физических характеристик)……………………………………………………………… стр.9-11

4.Влияние колокольного звона на человека ……………………………….стр.12

5. Выводы ……………….. …………………………………………………. стр.13

6. Литература. ………………………………………………………………..стр.14

Введение

Гипотеза: Жизнь русского человека неразрывно связана с колокольным звоном. Но колокола отличаются друг от друга по звучанию. Возможно, звон колоколов и качество их звучания зависит от их размера и состава сплава металлов, из которого состоят колокола.

Цель работы: изучить колокол и колокольный звон с точки зрения физики

Задачи:

1.     Найти материал по заданной теме в разных источниках информации

a.      Дать определение понятию «колокола».

b.     Выяснить, из чего льют колокола, от чего зависит их качество звучания.

c.      Сделать вывод о влиянии колокольного звона на здоровье людей.

d.     Познакомиться с легендами, преданиями о колоколах.

2.     Экспериментально установить зависимость колокольного звона от физических параметров

Методы: работа с разными источниками информации, наблюдение, анализ, эксперимент.

                                                             1

2.Общие сведения о колоколах

Колокольный звон на протяжении столетий был неотъемлемой частью жизни русского народа. Колокола на Руси сопровождали человека от рождения и до смерти. Сегодня трудно представить Арзамас без колокольного звона, который торжественно разливается над нашим городом, возвещая о важных праздниках и событиях.

2.1. Колокола и колокольный звон с точки зрения физики.

Раздел физики, изучающий звук называется акустикой. Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания тел, происходящие с частотой от 20 Гц до 20 000 Гц (1/с). ( Частота колебаний – это число колебаний в единицу времени).

Звук, как физическое явление, представляет собой колебания воздуха, возбуждаемые телом (колоколом).

В основе действия колокола явление резонанса. Устройство колокола таково, что его звучание – это дуэт металла и столба воздуха в нём, который приходит в колебательное движение с частотой, равной частоте колебаний стенок, совершая вынужденные колебания под действием языка колокола о чашу. Чтобы собственная частота колебаний столба воздуха совпадала с частотой колебаний стенок колокола, столб должен иметь определённые параметры и ударять по нему надо в определённые моменты. Благодаря резонансу возрастают громкость звука, энергия звуковой волны.

Ни один колокол по звучанию не похож на другой. У каждого колокола есть основной тон, соответствующий высоте его звучания и богатый, характерный только для него набор добавочных тонов – более высоких и более низких.

Именно они и создают разнообразие тембров, по которым различают голоса колоколов с одинаковой высотой основного тока. Звуковые волны как процесс распространения колебаний в среде, существует объективно, а ощущение звука – субъективно, т.е. зависит от уха человека и его психологического восприятия.

                                                     2

Объективными свойствами звука являются: высота, длительность, громкость,

тембр, скорость и дальность распространения. Звучание колокола зависит от его характеристик.

 Колокол - это металлическая чаша , перевернутая вверх дном, внутри которой по центру подвешен металлический «язык» ; при их взаимном перемещении происходит удар о стенку чаши, и та издает звук.

У колокола есть тело, уши, язык, плечи. Это связано с тем, что к колоколам относились как к живым существам. Им даже давали имена: Сокол, Георгий, Гавриил, Неопалимая купина, Медведь.

Колокола подвергались наказанию: их били кнутом, зарывали в землю, Вырывали язык (Колокол испугал коня Ивана Грозного и тот велел отрубить ему уши). Каждому колоколу приписывался свой характер.

                                                   3

  

Самый большой колокол - Царь- Колокол. Он весит 200 тонн.

Люди слышат звоны Московского Кремля, Ростова Великого, мы часто слышим колокольный звон Воскресенского собора в Арзамасе и Смоленского собора в Выездном, многие из нас не раз были в Дивеево.

Невозможно себе представить колокол без церкви, потому что колокол - это предмет церковный. «Дома», в которых живут колокола, называются колокольнями. Они строятся по определённым законам, чтобы колокольный звон лился по просторам родной страны.                                

2.2. Строение колокола. Материал и процесс изготовления колокола. 

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. Все практические мелодии записывались, составлялись таблицы размеров, масс, состава металла (основные таблицы были сделаны в 16 веке. Эти сведения часто хранились в секрете.)

                                          4

 Материал. Основным материалом для производства колоколов служит «колокольная бронза» (80% меди и 20% олова), которая обеспечивает хорошее звучание при достаточной жёсткости и прочности. Этот состав может варьироваться в пределах  + или – 3%, а примеси (особенно свинец, железо, сера, алюминий) должны составлять не более 2-3%. В противном случае может возникнуть быстрая порча колокола и ухудшение качества его звучания. Так, избыток олова делает колокол более хрупким, но с более приятным звуком, а малое количество олова даёт противоположные результаты. Каждый из металлов бронзового сплава входят в «великолепную семёрку»: золото, серебро, железо, свинец, ртуть, олово, медь.

Ходящая в народе молва, что примесь серебра улучшает звучание колокола, ошибочна. Этот взгляд шёл оттого, что колокольная бронза в

изломе часто имеет серебристый блеск, чем больше олова, тем больше блеска. Литейщики тоже были заинтересованы в этих слухах, принимая от народа серебряные изделия и монеты, якобы для того, чтобы получить «серебряный» звон колокола. Серебро кидалось не в сплав, а в топку. После остывания печи расплавленное серебро собиралось и отдавалось храму или литейщикам в качестве вознаграждения за работу.

При подготовке колокольной бронзы в печь сначала закладывается более тугоплавкая медь. Расплавленная медь очень текуча и обладает цветом морской воды. Медь – металл красного цвета с температурой плавления 1084 ºC и плотностью 8900 кг/м . Медь – мягкий металл, его можно ковать холодной ковкой или сделать из него тончайшую фольгу, в несколько раз тоньше папирусной бумаги. Медь долго была символом всех металлов, даже само русское слово « медь » - от слова « смида », которым называли любой металл. Пластичность меди, её исключительные качества (например, полное отсутствие  магнитных свойств) стали причиной особого восприятия меди людьми. Ещё в древности человек заметил, что от прикосновения медных предметов унималась боль и спадала опухоль.

                                                 5

 У народов Востока считается, что медь может не только останавливать болезни, но также способствует сосредоточению мыслей.

Олово – серебристо-белый легкоплавкий металл с температурой плавления 232 ºC и плотностью 7300 кг/м . Олово называют металлом «мягким, но твёрдым». Как такое может быть? Дело в том, что если при комнатной температуре олово пластично, даже вязко, то при температуре всего лишь ниже 13 ºC олово теряет свойства металла, а при сильном морозе рассыпается в порошок («оловянная чума»). В середине века, не понимая причин этих свойств олова,  считали, что «оловянную чуму» вызывают ведьмы своими наговорами, за что многие были сожжены на кострах. Чистое олово обладает важным для нас свойством: при изгибе прутков или пластин этого металла слышен легкий треск – «оловянный крик», который возникает от трения кристаллов олова при их деформации. Несмотря на то, что олово является одним из самых дорогих металлов (из одной тонны породы добывают лишь 200 г  руды),  в XX веке оно стало «материалом консервной банки». Полная безвредность солей олова для человека и химическая устойчивость его к кислороду дают возможность подолгу хранить миллионы тонн мяса, рыбы, фруктов, овощей в консервных банках, сделанных из жести, покрытой тончайшим слоем олова. Если до начала XX века русские мастера, работавшие с бронзой, закупали олово в Англии, то сейчас лучшей маркой олова считается наша, сибирская: ОВЧ – «олово высокой чистоты». Она зарегистрирована на Лондонской бирже в качестве эталона (0,0001% примесей).

Когда в расплавленную медь добавляется олово, природные свойства обоих металлов изменяются: увеличивается прочность, упругость и твердость металла, температура плавления понижается до 800 ºC. А главное – появляются совершенно особые звуковые возможности, которые свойственны только бронзе.

                                           6

 При этом соотношение частей меди и олова в колокольной бронзе (80% и 20%), найденное ещё в средние века, действительно является оптимальным.    

Бронза не подвержена коррозии, в этом смысле она вечна (например, «продолжительность жизни» железных изделии – 50…55 лет). Под влиянием влажности воздуха на бронзе с течением времени появляется голубовато-зелёный налёт, который называют «патиной». Это - как одежда, патина предохраняет бронзу от дальнейших изменений. Хорошую бронзу видно на изломе: она мелкозерниста, желтовато-серебристого цвета, т.к. кристаллы меди и олова до конца не перемешиваются, их дрожание и «трение» друг о друга и создают мощный и богатый звук.

Процесс создания колокола сложен и стар. Механизация не коснулась этого производства. Как триста лет назад лили, так и теперь льют. Технология литья не изменилась и в XXI веке. Создание колокола было большим событием для города, где его делали. Великими русскими мастерами литья колоколов считаются Филипп Андреев, Емельян Данилов, Флор Терентьев, отец и сын Моторины, Андрей Чохов, Семён Можжухин.

Большой  ли, малый  ли  колокол  делал  мастер, работа  его  шла путём, проторённым  прадедами:

n  Строили  печи  ( одну  или  несколько ).

                                                 7

n  Около  неё  (них)  вырывали  глубокую  яму.В  яме  сначала  из  кирпича  выкладывали  конус, который  обмазывали  глиной

n  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».

n  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.

n  Затем  поверх  «болвана» слой   за   слоем   наносили  глиняную «рубашку»,  создавая  модель  тела  колокола. Её  тоже   выравнивали  шаблоном  и  красили    специальной  краской. Чтобы  украсить  поверхность  колокола,  мастер  лепил  в формочках  буквы, разные  фигурки  и  прикреплял  их  к  поверхности «рубашки».

n  Когда  «рубашка» ( глиняный  колокол ) была  готова,  делали верхнюю часть  формы – «кожух»,  который  был  по  сути  разборным   слепком  с  глиняной  части  модели.

                                              8 

3.Экспериментальная часть (установление зависимости колокольного звона от некоторых физических характеристик)

Если вслушаться в колокольный звон, то можно услышать, что они звучат по-разному. Мы выяснили, что это зависит от многих факторов.

Мы провели эксперименты, измерив массу, диаметр чаши, объем и вычислив приблизительно плотность нескольких колокольчиков-образцов.

  .

Полученные результаты представлены в таблице

                                             9

Номер	Материал	Масса, грамм	Диаметр чаши, см	Объём ,см3	Плотность, г на см3
№1	металл	6,5	2.5	1	6,5
№2	металл	12,8	3,3	2	6,4
№3	металл	11,2	2,8	1	11,2
№4	металл	47,7	4	10	4,7
№5	металл	78,1	4,8	20	3,9
№6	металл	126,8	4,6	20	6,34
№7	металл	127,8	5,3	30	4.3
№8	металл	369,8	10	80	4,6
№9	керамика	17,3	4,3	10	1,7
№10	керамика	31	5,4	20	1,56
№11	гипс	79	6		1,8

 Позвонив в колокольчик, сделанный из гипса, мы услышали глухой, тихий звук. Но когда позвонили в металлические колокольчики, то раздался звонкий, мелодичный, переливчатый звон. Следовательно, чтобы получить яркий звук, мастера использовали для литья колоколов сплавы металлов. Материалом для колоколов является «колокольная бронза», которая содержит меди 80% и олова 20%. Этот сплав обладает высокой прочностью, упругостью, твёрдостью. Часто в этот состав добавляли примеси. Серебро добавляли для того, чтобы звук был более открытый и звонкий; Золото делает звук более резким; а Сталь- более закрытым. Платину добавляли для более нежного звука; Чугун - для более глухого звука.

Кроме того, выясняя, что оказывает влияние на звучание колоколов, мы провели ещё  опыты. Мы позвонили в маленькие колокольчики , в средние и большой. Звук маленьких колокольчиков - высокий, мелкий, а средних и больших - более низкий, яркий. Следовательно, высота звучания колоколов зависит от их размеров (массы, объёма, диаметра чаши).

                                         10

Не случайно, церковный колокольный звон складывается из перезвона разных по размеру колоколов, от больших до маленьких.

  На звучание колоколов оказывает влияние состояние атмосферы. Мы заметили, что в морозный, ясный день - звук сильный; в снежную погоду - звук слабый. Сухая погода создает звук резкий; а сырая погода - звук мягкий. Так мы пришли к следующему выводу: состояние атмосферы способно влиять на качество колокольного звона.

Таким образом, мы сделали вывод, что на качество колокольного звона влияет несколько факторов, в частности, размеры колоколов, состав сплава, из которого они сделаны, а также погодные условия.

                                         11

                         4.  Влияние колокольного звона на человека

Силу колокола люди знают давно. В старину существовал такой обычай: стать под колокол, дёрнуть за верёвку и, замерев, принять на себя падающие звуки. Люди с большой охотой становились под колокол, ожидая обновления внутри себя.

Практически у всех народов считалось, что "звон металла действует очищающе" на организм человека и на окружающую природу. Всевозможные колокола и колокольчики испокон века служили средством, отпугивающим злых духов и нечистую силу. Современная наука подтвердила мудрость наших предков

Группа исследователей под руководством кандидата биологических наук Ф. Шипунова изучала воздействие колокольных звонов на живые организмы. Она установила, что колокола разрушают болезнетворные микробы.

В частности, колокольный звон обезвреживает вирусы гриппа; желтухи. Учёные обнаружили также, что каждый вирус обезвреживается «своим» звуком, т. е. звуком определённой частоты. Так что недаром наши предки во время эпидемии били в колокола.

 В звоне (звуке) колокола, т.е. в его звуковом спектре, присутствуют неслышимые звуки – ультразвук и инфразвук. Наше ухо не воспринимает их, но человек – биологическая система, и потому, так или иначе, отзывается на их воздействие. Учёные связывают это с существованием в человеке биоритмов и резонансных частот для каждого органа. Колокольный звон может сильно влиять на душевное (психологическое) состояние человека. Обычно, низкие частоты, характерны для больших колоколов, успокаивают человека, а высокие – чаще возбуждают его. Колокольный звон можно использовать для лечения душевных расстройств человека. Не потому ли, когда бьют колокола, в душе возникает ощущении торжественности,  причастности к чему-то духовно-высокому и светлому, ощущении неразрывной связи со своей Родиной, со своим народом, его историей и традициями; или , наоборот, душой овладевают печальные, тревожные чувства, невыразимо щемящие сердце?       

                                                           12

Выводы

1. Звучание колоколов богато и разнообразно и зависит от многих физических характеристик: размеров, массы, толщины стенок, диаметра, высоты, состава материала., а также погодные условия.

             2.  Колокол - это частичка истории России; колокол - это произведение литейного мастерства и искусства; колокол - это музыкальный инструмент и лекарь. Колокол - это символ России.

                                               13

 Список литературы

1.     Интернет-ресурсы.

2.     Энциклопедия  «Что? Зачем? Почему?», ООО «Харвест», 2007

      3. Энциклопедия  «Хочу всё знать», «Росно» ,2009.

                                      14