Fizika i električna gitara

ales_vunjak

Aleš Vunjak

Sažetak

U članku je predstavljena električna gitara s namjerom popularizacije fizike. Opisani su fizikalni principi djelovanja: magnetska indukcija i titranje napete žice. Teorija je obrađena na uvodnoj, osnovnoj bazi, a učitelji je mogu po potrebi razgranati u okvirima interesa i znanja učenika.

Ključne riječi: indukcija, magnetizam, titranje, električna gitara, Faraday.

1. Uvod

Nastava iz fizike lako može postati suhoparna, apstraktna i postavljena u „nerealan svijet”. Susrećemo se s hrpom teorije, jednadžbi i fizikalnih jedinica. Učenici lako mogu steći dojam da je to sve zajedno samo jedna neupotrebljiva filozofija, idealiziran svijet teorije, koji ne znaju povezati s realnošću. Jedan od bitnih zadataka učitelja je naučiti učenike kako fiziku upotrijebiti i primijetiti je u svakidašnjem životu. Učitelj također mora motivirati učenika. Namjena fizike je ispravno predviđanje, generalizacija i zadnje, ali ne i najmanje bitno, primjena fizikalnog znanja u svakidašnjem životu. Kako povezati svakidašnji život, fiziku i njezinu uporabljivost, motivaciju i razumijevanje? Jedna od mogućnosti je da razmatramo teme koje su učenicima bliske i zanimljive.

Praktički ne poznajemo mladog čovjeka koji ne sluša glazbu i koji nije vidio električnu gitaru. Iz tog razloga ću u ovom članku pokušati objasniti osnove funkcioniranja električne gitare. Namjera je potaknuti učitelje da fiziku uvedu u svijet mladih te da učenicima pokažu da fizika nije samo knjiga i nekakva laboratorijska besmislica.

2. Magnetizam

Ono što električnu gitaru razlikuje od akustične je princip rada koji se temelji na Faradayevom zakonu indukcije, stoga ću ovom poglavlju predstaviti bitna teorijska polazišta ove teme. Također ću predstaviti važne jednadžbe. Slično ću učiniti u sljedećim teorijskim poglavljima. Učitelji koji sadržaj članka namjeravaju koristiti na nastavi mogu teoriju i sve ostalo vezano uz tu temu razraditi detaljnije.

2.1. Trajni magnet

Ugrubo razlikujemo trajne ili permanentne magnete i elektromagnete. Prve nalazimo u prirodi ili ih možemo umjetno stvoriti. Drugi djeluju uz pomoć električnog toka. Njihovo djelovanje i učinak magnetskog polja možemo lakše kontrolirati.

Ovdje nas zanimaju ponajprije trajni magneti. Oni se mogu sastojati od različitih materijala i biti raznih oblika. Posebno važan za ovu temu je magnet u obliku štapa -štapni magnet. Štapni magnet ima, kao i svaki drugi magnet, dva magnetna pola: sjeverni i južni magnetski pol. Prikazan je na sljedećoj slici.

slika 1

Sjeverni pol N (engleski north) obojan je plavom bojom, a južni pol S (engleski south), crvenom bojom. Silnice magnetskog polja B izlaze iz sjevernog magnetskog polja N u smjeru južnog magnetskog polja S, gdje završavaju. Silnice magnetskog polja zatvorene su krivulje. Vrijedi ponoviti da magnetsko polje štapnog magneta nije homogeno, da je na polovima najjače te da se njegova jačina brzo smanjuje s udaljenošću od pola. Isto tako, valja ponoviti da, ukoliko štapni ili bilo koji trajni magnet prepolovimo, nećemo dobiti odvojeni sjeverni i južni pol, nego ponovno dva magneta – magnetska dipola.

2.2. Faradayev zakon indukcije

Michael Faraday, engleski fizičar i kemičar koji je živio između 1791. i 1867. godine, je slika 2već 1831. godine otkrio pojavu električne indukcije.

Eksperimentirao je s dvije zavojnice. Kroz jednu je pustio električni tok i pomicao je unutar druge. Primijetio je da tada drugom zavojnicom poteče električni tok. Donja slika prikazuje kako je Faraday izveo pokus.

slika 3

Također je primijetio da kroz navoj zavojnice poteče električni tok ako u nju stavimo ili iz nje izvadimo trajni magnet.

Formalno matematički Faradayev zakon indukcije u srednjoj školi opisujemo jednadžbom

image

gdje je clip_image002[4] inducirani napon, clip_image004[4] broj namotaja zavojnice, clip_image006[4] promjena magnetnog protoka i clip_image008[4] promjena vremena u kojoj dolazi do promjene magnetnog protoka.

3. Titranje

3.1. Brzina titranja napete žice

Žicom ili konopom učvršćenim na oba kraja, može se širiti transverzalno titranje. Jednadžba koja opisuje brzinu transverzalnog titranja napete žice je

image

gdje je c brzina transverzalnog titranja napete žice, clip_image016 sila kojom je napeta žica, clip_image018 duljina žice i clip_image020 masa oscilirajućeg dijela žice. Što je žica napetija i duža, njome se brže širi transverzalno titranje, dok veća masa žice znači sporije putovanje transverzalnoga vala.

3.2. Stojni val

Na žici napetoj na dva kraja uz podražaj nastaje stojno transverzalno titranje. Jednadžbom

clip_image022slika 4

opisujemo vezu između osnovne frekvencije i dužine žice. Ovdje je clip_image024 osnovna vlastita frekvencija kojom žica titra. To je ujedno i najniža frekvencija zvuka koji ta žica može proizvesti. Kao i ranije, clip_image014[1] je brzina transverzalnog titranja i clip_image018[1] dužina oscilirajućeg dijela žice.

3.3. Više harmonijske frekvencije

Žica na gitari također titra na višim harmonijskim frekvencijama istovremeno s osnovnom vlastitom frekvencijom. Donja jednadžba prikazuje vezu između osnovne vlastite frekvencije i viših harmonijskih frekvencija.

clip_image026

Ovdje je clip_image028 n-ta viša harmonijska frekvencija, a clip_image024[1] osnovna frekvencija žice. Vidimo da su više harmonijske frekvencije brojčani višekratnici osnovne vlastite frekvencije.

4. Električna gitara

Gitarist Charlie Christian bio je prvi koji je 1936. godine počeo eksperimentirati s električnom gitarom koju je izradio iz akustične gitare. Ovu godinu računamo kao godinu rođenja električne gitare.

4.1. Moderna električna gitara

Donja slika prikazuje tipičnu modernu električnu gitaru.

slika 5

Na električnoj gitari više je važnih sastavnih dijelova: navijači, žice, kontrola glasnoće i tona, preklopnik, priključna utičnica i drugi. Nas ponajprije zanimaju gitarski magneti ili pickup-ovi. To su zavojnice u čijoj jezgri se nalazi permanentni magnet. Na slici vidimo tri na tijelu gitare.

4.2. „Hvatanje” zvuka

slika 6Električna gitara „hvata” zvuk uz pomoć pickup-ova. Slika prikazuje njihov tipičan sastav.

Najvažniji sastavni dio pickup-a su permanentni štapni magnet i bakrena zavojnica koja je omotana oko magneta.

Na koji način pickup preuzima zvuk gitare? Žice električne gitare sastavljene su od feromagnetne tvari. Nalaze se neposredno iznad magneta.

slika 7

Zbog toga nalaze se u dohvatu magnetskog polja magneta te se tako i same magnetiziraju. Kada žica titra, u zavojnici pickup-a proizvodi izmjenični magnetski protok. Isti u zavojnici inducira napon koji kroz zavojnicu pokreće inducirani tok. Tok ili signal potom vodimo do vanjskog pojačala gdje ga pojačavamo i dalje obrađujemo njegovu boju.

5. Zaključak

Iako je Faraday osnove magnetske indukcije otkrio još davne 1831. godine, indukcija je fizikalna pojava koja danas služi čovječanstvu u industriji, glazbi i mnogim drugim područjima. Važno je biti svjestan da niti jedno otkriće kako funkcionira priroda i koju fiziku sakriva u sebi ne smije biti omalovažavano. Nikada, naime, ne znamo gdje nam sve takvo znanje može biti od koristi.

Električna gitara odličan je glazbeno-fizikalni rekvizit koji omogućava široku debatu u razredu. U gitari se tijekom njezinog rada odvijaju različiti fizikalni procesi koji su dio nastavnog gradiva u više razreda srednje škole. Istovremeno je električna gitara nešto što učenici sigurno barem malo poznaju. Vrlo je vjerojatno da netko iz razreda i svira električnu gitaru. Za takvog učenika tema o djelovanju električne gitare može biti posebno zanimljiva. Električna gitara je dobar primjer uporabe fizike i prirodoslovnog znanja. Dokaz je da fizika nisu samo knjige i jednadžbe, nego to može biti i nešto lijepo, zanimljivo i vrlo uporabljivo.

6. Literatura

  1. https://www.explainthatstuff.com/electricguitars.html
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_guitar
  3. https://entertainment.howstuffworks.com/electric-guitar.htm
  4. https://www.sweetwater.com/insync/how-do-electric-guitars-work/
  5. https://newt.phys.unsw.edu.au/jw/strings.html
  6. https://www.phys.uconn.edu/~gibson/Notes/Section3_3/Sec3_3.htm
  7. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Waves/string.html

Izvori slika:

Slika 1: https://eucbeniki.sio.si/fizika9/198/index3.html
Slika 2: https://earthsky.org/upl/2016/09/michael-faraday-1241×763.jpg
Slika 3: https://www.thoughtco.com/electromagnetic-induction-2699202
Slika 4: https://www.sciencealert.com/watch-what-guitar-strings-are-really-doing-up-clos
Slika 5: https://www.amazon.ca/Squier-Fender-Stratocaster-Beginner-Electric/dp/B07BBV9ZCB
Slika 6: https://lawingmusicalproducts.com/dr-lawings-blog/how-does-a-pickup-really-work
Slika 7: https://www.guitarworld.com/gear/how-does-a-guitar-pickup-really-work