Die Physik der Musik – und wie Galilei sie nutzte

Mit diesem Thema zu arbeiten ist für mich, als leidenschaftlicher Gitarrist, eine besondere Herzensangelegenheit. Da mich die Musik ebenso wie die Physik und die Astronomie mein ganzes Leben lang begleitet haben und ich für jedes der Gebiete eine eigene Faszination aufbringe, fiel mir schon sehr früh auf, dass es zwischen Musik und Physik mehr als nur ein paar Parallelen gibt. Ich möchte heute ein wenig darauf eingehen, wie diese beiden Begriffe zusammen hängen.

physik & musik

Wer sich die Mühe macht, sich intensiv mit der Musik auseinander zu setzen, der kommt nicht drum herum, sich an den Freuden der Harmonielehre zu laben – und das kann genauso zermürbend und trocken sein wie die Grundlagen der Physik – womit wir schon bei der ersten (wenn auch zweifelhaften) Gemeinsamkeit wären. Doch nun zur Sache… So gut wie alles in der Musik lässt sich physikalisch erklären. Fangen wir ganz von vorne an: Töne und Klänge sind die Grundbausteine der Musik. Physikalisch gesehen ist ein Ton eine Sinusschwingung, charakterisiert durch folgende Parameter: Die Frequenz (Tonhöhe = Schallschwingungen pro Sekunde) und die Amplitude (Lautstärke). Schallwellen werden von der Luft und anderen Materialien als kleine, periodische Druckschwankungen übertragen

. Je stärker die Druckschwankungen am Ohr ankommen, desto lauter ist der Ton und je schneller die Druckschwankungen sich ändern, desto höher ist der Ton.

In der Physik ist ein Klang die Zusammensetzung verschiedener Sinustöne, wobei deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundtonfrequenz sind; musikalisch wird dies jedoch noch als Ton bezeichnet. Die Höhe und Anzahl der Obertöne ermöglichen es dem Menschen, z.B. die Klänge einer Trompete von denen einer Klarinette oder einer Violine zu unterscheiden. In der Musik wird der Begriff „Klang“ erst im Zusammenhang mit Intervallen und Akkorden verwendet.

Schall breitet sich in der Luft mit etwa 340 Metern pro Sekunde (etwa 1200 km/h) aus.Diese relativ geringe Ausbreitungsgeschwindigkeit wird an vielen Beispielen deutlich: beim zeitliche Abstand zwischen Blitz und Donner oder bei der Beobachtung eines hämmernden Arbeiters aus einiger Entfernung. Auch die Kirchenglocken, die beim Vorbeifahren mit einem Fahrzeug ihre Tonhöhe verändern, ist auf den nicht sehr großen Unterschied von Fahrzeuggeschwindigkeit und Schallgeschwindigkeit zurückzuführen (1:20). Fährt man auf die Schallquelle zu, so treffen die Druckschwankungen der Schallquelle häufiger am Ohr ein und man hört einen höheren Ton. Das wird in der Physik auch akustischer Dopplereffekt genannt.

Schall

Diese Simulation veranschaulicht, wie Schallwellen auf das menschliche Ohr treffen. Bild: ohropax.de

Das menschliche Ohr nimmt Schallschwingungen ab einer Frequenz von etwa 16 Hz (Einheit Hertz, 1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde) als sehr tiefen Ton wahr. Der höchste wahrnehmbare Ton liegt bei Kindern und Jugendlichen bei etwa 20000 Hz (20 kHz) und lässt mit höherem Alter nach. Der hörbare Tonumfang entspricht etwa 10 Oktaven. Überhaupt ist der Lautstärkeumfang, den das Ohr noch verarbeiten kann, enorm groß: die Schallleistungen zwischen der Hörschwelle und der Schmerzgrenze liegen etwa im Verhältnis von 1 : 100.000.000.000 (100 Milliarden)! Allerdings werden Lautstärkeänderungen erst ab etwa 20% vom Gehör überhaupt wahrgenommen.

Die kleinste Tonhöhenschwankung, die ein Mensch empfinden kann, hängt ebenfalls von Lautstärke und Tonhöhe ab. Menschen mit besonders empfindlichem Gehör unterscheiden im Frequenzbereich von 600 Hz bis 5000 Hz noch Tonhöhenschwankungen unter 0,1 % der Tonfrequenz.

Doch das ist nicht die einzige Besonderheit des musikalischen Gehöres, das wusste auch schon Galilei. Zu Zeiten Galileo Galileis gab es leider noch keine präzise laufenden Uhren, mit denen man wissenschaftliche Experimente genau hätte durchführen können. Um das Jahr 1590 nahm er sich eines besonderen Experiments an, und zwar ließ er eine Kugel in der Rille einer schiefen Ebene hinabrollen und wollte den Weg bestimmen, den sie in gleichen Zeitabständen zurücklegte. Doch wie sollte man das exakt messen? Ein Glück, das Galilei nicht von schlechten Eltern war und so besann sich der Sohn des berühmten Lautenvirtuosen Vincenzo Galilei auf seine musikalische Ader und sein Taktgefühl. Zum Rollen der Kugel erklang fortan Lautenmusik und markierte so die zurückgelegte Strecke im Rhythmus der Musik. Und weil die Zeitgenauigkeit des musikalischen Gehörs bei etwa einer hundertstel Sekunde liegt, waren die Messungen entsprechend präzise.

Wir sehen also, in Musik steckt jede Menge Physik. Das war zwar nur ein kleiner Ausschnitt aus der ganzen Thematik, doch ich denke, man konnte einen guten Überblick darüber bekommen, dass Musik und Physik eben doch zusammenhängen und Musik ohne Physik nicht möglich wäre. Und wenn man sich vor Augen hält, dass viele, bekannte Physiker und Wissenschaftler selbst Musiker waren oder zumindest leidenschaftliche Anhänger der Musik ihrer jeweiligen Zeit und sich davon inspirieren und berauschen ließen, kann man auch behaupten, dass der heutige Stand der Physik ohne Musik mit Sicherheit auch ein klein wenig anders wäre.

Über stellariumblog

Stellariumblog ist ein Info-und Newslog. Ich versuche, die oftmals komplizierte und unübersichtliche Fülle an Informationen und Wissen verständlich zu erklären. Mein Ziel ist es, mit diesem Blog so viele Menschen wie möglich von der Astronomie zu begeistern. Natürlich versuche ich, täglich die wichtigsten News aus den Bereichen Astronomie, Astrophysik und vergleichbaren Wissenschaften zu bloggen, ich bin allerdings Berufstätig und habe leider nicht jeden Tag ein bis zwei Stunden Zeit – seid also bitte etwas nachsichtig falls ich nicht immer alles als erster poste ;) Ich freue mich immer über positive Bewertungen, aber auch über konstruktive Kritik sowie Vorschläge und/oder Hinweise auf mögliche Fehler (ich bin auch nur ein Mensch). Ansonsten wünsche ich euch viel Spaß in meinem Blog.
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