Ein Savart-Rad (ausgestellt im Birla Industrial & Technological Museum , Kolkata , Indien, im Jahr 2000)

Das Savart-Rad ist ein akustisches Gerät, benannt nach dem französischen Physiker Félix Savart (1791–1841), das ursprünglich von dem englischen Wissenschaftler Robert Hooke (1635–1703) konzipiert und entwickelt wurde. [ 1 ]

Hält man eine Karte an den Rand eines sich drehenden Zahnrads, erzeugt man einen Ton, dessen Tonhöhe sich mit der Drehzahl des Rads ändert. Ein solcher Mechanismus, gefertigt aus Messingrädern, ermöglichte es Hooke, Schallwellen bekannter Frequenz zu erzeugen und der Royal Society 1681 den Zusammenhang zwischen Tonhöhe und Frequenz zu demonstrieren . Für praktische Zwecke wurde Hookes Apparat jedoch bald durch die Erfindung der Stimmgabel ersetzt .

Etwa anderthalb Jahrhunderte nach Hookes Arbeiten griff Savart den Mechanismus für seine Untersuchungen zum menschlichen Hörbereich wieder auf. In den 1830er Jahren gelang es Savart, große, feinverzahnte Messingräder zu konstruieren, die Frequenzen von bis zu 24 kHz erzeugten – vermutlich die weltweit ersten künstlichen Ultraschallgeneratoren . Im späten 19. Jahrhundert wurden Savarts Räder auch in physiologischen und psychologischen Untersuchungen zur Zeitwahrnehmung eingesetzt .

Heutzutage werden Savart-Räder häufig in Physikvorlesungen vorgeführt, manchmal werden sie mit einem Luftschlauch (anstelle des Kartenmechanismus) angetrieben und zum Klingen gebracht.

Beschreibung

Das Grundgerät besteht aus einem Sperrrad mit einer großen Anzahl gleichmäßig verteilter Zähne. [ 2 ] Dreht man das Rad langsam, während man die Kante einer Karte an die Zähne hält, ist eine Reihe deutlicher Klicks hörbar. [ 3 ] Dreht man das Rad schnell, erzeugt es einen schrillen Ton; dreht man es langsamer, sinkt die Tonhöhe allmählich. Da die Tonfrequenz direkt proportional zur Geschwindigkeit ist, mit der die Zähne auf die Karte treffen, kann ein Savart-Rad so kalibriert werden, dass es ein absolutes Tonhöhenmaß liefert. Mehrere Räder unterschiedlicher Größe mit unterschiedlicher Zähnezahl können auch so angebracht werden, dass sich bei konstanter Drehgeschwindigkeit der Achse verschiedene Tonhöhen (oder Akkorde ) erzeugen lassen. [ 4 ]

Hookes Rad

Hooke begann im März 1676 gemeinsam mit dem renommierten Uhrmacher Thomas Tompion und nach Gesprächen mit dem Musiktheoretiker William Holder mit der Entwicklung seines Rades . [ 5 ] Er interessierte sich schon lange für musikalische Schwingungen und hatte bereits 1666 gegenüber Samuel Pepys damit geprahlt, die Flügelschlagfrequenz einer Fliege anhand ihres Geräusches bestimmen zu können. [ 5 ] [ Anm. 1 ] Im Juli 1681 demonstrierte er der Royal Society seine neue Vorrichtung zur Erzeugung unterschiedlicher Töne durch das Anschlagen der Zähne schnell rotierender Messingräder. [ 5 ] [ 7 ] Auf diese Weise gelang es ihm erstmals, Schallwellen bekannter Frequenz zu erzeugen und den Zusammenhang zwischen der menschlichen Tonhöhenwahrnehmung und der physikalischen Eigenschaft der Schallwellenfrequenz empirisch nachzuweisen . [ 1 ] [ 7 ] Darüber hinaus konnte er durch die Anordnung verschiedener Räder nebeneinander auf derselben Achse Frequenzverhältnisse für musikalische Intervalle wie reine Quinten und Quarten usw. überprüfen. [ 8 ] [ n 2 ]

Hooke veröffentlichte seine Ergebnisse im Jahr 1705. [ 9 ] Obwohl sein Rad ein objektives Maß für die Tonhöhe lieferte, wurde es für den alltäglichen Gebrauch bald durch die Erfindung der Stimmgabel im Jahr 1711 überflüssig . [ 10 ]

Savarts Version

Eine Abbildung eines Savart-Rades (aus The Popular Science Monthly , 1873) [ 3 ]

Hookes Apparat wurde über ein Jahrhundert lang nicht mehr für Forschungszwecke verwendet. [ 9 ] Die nächste dokumentierte Verwendung erfolgte 1830, als Savart über die Verwendung eines ähnlichen Systems berichtete, das er im Rahmen seiner Untersuchungen zum unteren Bereich des menschlichen Hörvermögens entwickelt hatte . [ 11 ] [ 12 ] Savarts spezifischer Beitrag bestand darin, einen Tachometer an der Achse des Zahnrads anzubringen, um die Kalibrierung der Zahnfrequenz zu erleichtern. [ 9 ] Savart nutzte sein Rad als praktische Alternative zu John Robisons Sirene , die zu dieser Zeit auch von Charles Cagniard de la Tour zur Erforschung des menschlichen Hörvermögens eingesetzt wurde . [ 13 ] Ab 1834 konstruierte Savart Messingräder mit einer Breite von 82 cm und bis zu 720 Zähnen. [ 9 ] Diese Räder, die Frequenzen bis zu 24 kHz erzeugen konnten , wurden als erste künstliche Ultraschallgeneratoren vorgeschlagen . [ 11 ]

Verwendung in Experimenten zur Zeitwahrnehmung

Im späten 19. Jahrhundert wurde Savarts Rad für physiologische und psychologische Untersuchungen zur menschlichen Zeitwahrnehmung adaptiert . 1873 berichtete der österreichische Physiologe Sigmund Exner über die Fähigkeit des Menschen, aufeinanderfolgende Klicks des Rades (oder alternativ schnell aufeinanderfolgende elektrische Funken) in Zeitabständen von nur 2 Millisekunden (1/500 Sekunde) zu unterscheiden. [ 14 ] Ein modifiziertes Rad, das eine variable Anzahl von Klicks in unterschiedlichen Intervallen erzeugte, wurde später von den amerikanischen Psychologen G. Stanley Hall und Joseph Jastrow verwendet , die 1886 über die Grenzen der menschlichen Wahrnehmung akustischer Diskontinuitäten berichteten. [ 14 ]

Musikalische und andere Anwendungen

1894 patentierte der französische Elektrotechniker Gustave Trouvé ein elektrisch (oder mechanisch) betriebenes Tasteninstrument, das über eine Klaviertastatur 88 unterschiedlich große Savart-Räder ansteuern konnte und so harmonische Akkorde und Dynamik ermöglichte . [ 15 ] Dasselbe Prinzip findet sich in modernen elektromechanischen Orgeln wie der Hammond-Orgel , die mit Tonrädern arbeiten . [ 15 ]

Das Konzept wurde auch für ein experimentelles Musikinstrument von Bart Hopkin adaptiert . Diese Anwendung von Savarts Rad besteht aus 30 Holzscheiben mit zunehmender Größe, die auf einer motorisierten Achse montiert sind. Durch den Kontakt eines Plektrums mit den in regelmäßigen Abständen angeordneten Rillen auf jeder Scheibe werden rasselnde Vibrationen erzeugt, die in einem Styroporbecher , der als Resonanzkörper dient, verstärkt werden . Das Instrument soll „den aufdringlichsten, widerwärtigsten und irritierendsten Klang erzeugen , der je bekannt war.“ [ 16 ]

Heutzutage werden Savart-Räder häufig für Demonstrationen in Physikvorlesungen verwendet. [ 1 ] In einer Variante kann das Rad durch einen Luftschlauch angetrieben werden, der auf die Zähne bläst; in diesem Fall variiert die Tonhöhe mit der Stärke des Luftstroms. [ 17 ]

Siehe auch

Anmerkungen und Verweise

Anmerkungen

  1. ^ Laut Pepys behauptete Hooke, er könne „anhand des Tons, den eine Fliege während ihres Fluges in der Musik erzeugt, erkennen, wie viele Flügelschläge sie macht (bei Fliegen, die beim Fliegen summen)“. [ 6 ]
  2. ^ In Hookes eigenen Worten konnte er Demonstrationen durchführen, „indem er die Zähne mehrerer Messingräder, die proportional zu ihrer Anzahl beschnitten waren, aneinander schlug und diese sehr schnell drehte, wobei zu beobachten war, dass die gleichen oder proportionalen Schläge der Zähne, also 2 zu 1, 4 zu 3 usw., die musikalischen Intervalle erzeugten.“ [ 7 ]

Referenzen

  1. ^ a b c Berg, Richard E. (27. September 2013). „Akustik – Frühe Experimente“ . Encyclopædia Britannica Online . Abgerufen am 20. Februar 2014 .
  2. ^ Avery, Elroy McKendree (2012) [Erstausgabe 1895]. Schulphysik . Hardcover. ISBN 978-1-290-41178-3Die
  3. ^ a b „Wellenwirkung in der Natur“ . The Popular Science Monthly . III : 7–8 . Mai 1873.
  4. ^ „Savarts Rad“ . Kenyon College. Archiviert vom Original am 28. Dezember 2019. Abgerufen am 28. Februar 2014 .
  5. ^ a b c Inwood, Stephen (2011). Der Mann, der zu viel wusste: Das seltsame und erfinderische Leben von Robert Hooke 1653–1703 . London: Pan Macmillan. S. 320. ISBN 978-0-330-53218-1Die
  6. ^ „Die englischen Vorläufer Newtons: II“ . The Popular Science Monthly . 17 : 786. Oktober 1880.
  7. ^ a b c Dostrovsky, Sigalia; Campbell, Murray. „Physik der Musik – 1. Zu Mersenne“ . Grove Music Online . Oxford Music Online . Abgerufen am 20. Februar 2014 .(Abonnement erforderlich)
  8. ^ Green, Burdette; Butler, David (2002). „Von der Akustik zur Tonpsychologie “ . In: Thomas Christensen (Hrsg.). The Cambridge History of Western Music Theory . Cambridge: Cambridge University Press. S. 249. ISBN 978-0-521-62371-1Die
  9. ^ a b c d Ampel, Frederick J; Uzzle, Ted (März 1993). Die Geschichte der Audio- und Schallmessung (PDF) . Audio Engineering Society: AES Convention Papers Forum.
  10. ^ Carterette, Edward (1978). „Einige historische Anmerkungen zur Hörforschung“ . In: Edward Carterette (Hrsg.). Hören . Handbuch der Wahrnehmung. Band IV. New York: Elsevier. S. 28. ISBN 978-0-323-14275-5Die
  11. ^ a b Graff, Karl F (2012) [Erstveröffentlichung 1981]. „A History of Ultrasonics“ . In: Warren P. Mason (Hrsg.). Principles and Methods . Physical Acoustics. Band XV. New York: Elsevier. S.  4–5 . ISBN 978-0-323-15251-8Die
  12. ^ Dostrovsky, Sigalia (2008). „Savart, Félix“ . Complete Dictionary of Scientific Biography . Encyclopedia.com . Abgerufen am 23. Februar 2014 .
  13. ^ Jackson, Myles W. (2012). „Von wissenschaftlichen Instrumenten zu Musikinstrumenten: Die Stimmgabel, das Metronom und die Sirene“ . In: Trevor Pinch und Karin Bijsterveld (Hrsg.). The Oxford Handbook of Sound Studies . Oxford: Oxford University Press. S. 206. ISBN 978-0-19-538894-7Die
  14. ^ a b Roeckelein, Jon E. (2000). Das Zeitkonzept in der Psychologie: Ein Nachschlagewerk und eine kommentierte Bibliographie . Westport, CT: Greenwood Publishing Group. S. 65. ISBN 978-0-313-31100-0Die
  15. ^ a b Desmond, Kevin (2015). Gustave Trouvé: Französisches Elektrotechnikgenie (1839–1902) . McFarland. S.  148–149 . ISBN 978-1-4766-1968-2Die
  16. ^ „Savarts Rad“ . Point Reyes Station, CA: Experimental Musical Instruments . 12. Oktober 2009. Abgerufen am 21. Februar 2014 .
  17. ^ „Savarts Rad: Zahnrad und Pappe oder Luftstrahl“ . Physik-Vorführungen der UC Berkeley . Universität von Kalifornien, Berkeley . Abgerufen am 21. Februar 2014 .