Как бы звучал Царь‑колокол

Вверх по течению Москвы‑реки от устья Яузы до устья Неглинки, на крутом холме, восемь веков тому назад возникло крохотное поселение. Основатель этого поселения князь Юрий Долгорукий выбрал этот холм, учитывая его особое положение в сравнении с другими. Холм был покрыт густым, непроходимым лесом, который окаймляли полноводные реки. В те далекие от нас времена густые, непроходимые леса называли «бор» или «кремь». Отсюда и происходит, по мнению историков, слово «Кремль».

Крохотное поселение быстро разрасталось. Новые поселенцы располагали свои селения вокруг Кремля, на других, близлежащих холмах.

Со временем поселения превратились в огромный город, имя которого – Москва.

Для первых поселенцев Москвы было ясно, что ни дремучий бор, ни полноводье рек не могут защитить их от непрошеных гостей. Поэтому они воздвигли вокруг холма, у самых берегов рек Москвы и Неглинки, толстые дубовые стены с башнями.

Холм, огражденный дубовыми стенами, и был в те времена городом, а спустя восемь веков превратился в центр столицы великого социалистического государства – Союза Советских Социалистических Республик.

Во времена Дмитрия Донского дубовые стены, пришедшие в ветхость, были заменены новыми, уже не деревянными, а каменными. Камень для стен был выбран белый. Поэтому город стал называться белокаменным.

При Иване III белокаменные стены, выветренные непогодой и израненные бесчисленными врагами, стали заменять новыми, кирпичными. Благодаря заботам потомков стены и башни сохранились до наших дней.

В центре Кремля, на самом высоком месте холма, была выстроена колокольня более восьмидесяти метров высоты. Строили, достраивали колокольню на протяжении чуть‑чуть менее ста лет – с 1505 по 1600 год.

Колокольня Ивана Великого

На верх колокольни ведут крутые лестницы. По ним поднимались дозоры для обозрения окрестностей Москвы.

Обнаружив приближение незваных гостей, дозоры предупреждали об этом горожан набатом колоколов. Он разносился далеко‑далеко и был слышен в едва видимых с башни деревнях, разбросанных в бескрайных лесах, окружающих город.

Колокола звучали над Москвой не только в годины бедствий и праздников. В течение дня они несколько раз собирали людей для совершения христианских обрядов.

Звук одних колоколов был густой и тревожный, другие переливались радостным, малиновым звоном.

Самый большой колокол на колокольне, который находится там до сего времени, весит семьдесят тонн.

Искусные мастера литейного дела на Руси того времени умели отливать гигантские колокола. Самым прославленным из них оказался Иван Моторин.

В 1735 году Иван Моторин с сыном Михаилом отлили такой колокол, какого не видели не только за морями, но и на Руси, хотя литье колоколов на Руси было не в диковинку. Вес этого колокола, изукрашенного затейливыми узорами, составил почти двести тонн. За это его и назвали «Царь‑колокол».

Но в этот колокол никто и никогда не звонил. Он никогда не был установлен на колокольне Ивана Великого.

Случилось это так. Отливали колокол в яме у подножия кремлевского холма. Когда колокол был готов, стали сооружать леса, поднимая его на высоту холма, чтобы затем волоком по настилу оттащить к колокольне.

Два года ушло на сооружение приспособлений для подъема колокола из ямы. В 1737 году гигант уже находился на уровне вершины холма. Теперь оставалось соорудить настил и оттащить его на вершину. Но случилась беда – возник пожар. Жадный огонь пожирал леса, удерживающие Царь‑колокол. Его братья‑колокола надрывались на колокольнях города, собирая народ гасить пламя. Однако огонь не унимался. Его погасила другая стихия – дождь, который пошел к исходу дня. Но леса, удерживающие колокол, не выдержав тяжести многопудовой махины, обрушились, и колокол упал в яму, наполненную дождевой водой.

Когда колокол опять попал в яму, из которой его два года так хитроумно доставали, он дал ряд трещин, ибо был раскален, а в яме была вода.

После всего случившегося его оставили в яме. Слишком велико было огорчение, да к тому же строителей отвлекли на другие дела.

И пролежал он там сто лет и три года.

А потом его вытащили из ямы и поставили у подножия колокольни, где он находится и по сей день.

Во время установки колокола на подставку край колокола выщербился; осколок, который весит одиннадцать тонн, был оставлен около подставки.

Царь‑колокол

Такова судьба самого большого колокола на земном шаре.

Но как бы звучал этот колокол?

Познакомимся прежде всего с законами звучания тел наиболее простой формы. К таким телам относятся прутья, или, как принято их называть, стержни.

Многочисленные наблюдения над колебаниями прутьев, изучением которых занимался академик Петербургской Академии наук Леонард Эйлер, показывают, что если концы прута не закреплены, то он может совершать колебания таким образом, что только две точки его, одинаково отстоящие от концов, остаются неподвижными, а все остальные колеблются. Неподвижные точки называют узлами.

Если теперь прут сгибать, то узловые точки будут сближаться. В том случае, когда мы согнем прут так, что концы его станут параллельными друг другу, узловые точки будут находиться вблизи места сгиба. Согнутый стержень, укрепленный на подставке в месте сгиба, называют камертоном. Это название вы наверняка слышали.

При колебании согнутого стержня – камертона, концы его то сближаются, то расходятся, создавая вокруг себя сжатие и разрежение воздуха. Эти колебания распространяются в пространстве во все стороны. Если их частота больше 16 герц и меньше 16 тысяч герц, то эти изменения величины атмосферного давления воспринимаются нашим ухом как звук.

А частота колебаний камертона зависит от многих причин – от длины ножек, площади поперечного сечения прута и свойств материала, из которого он изготовлен, то есть от его плотности и упругости.

Значит, каждый камертон, каким бы образом мы ни заставили его совершать колебания, колеблется с одной и той же частотой, которая определяет основной тон. Если же возникают высокие тона, то они столь слабы, что лежат ниже порога восприятия. Поэтому и создают наборы камертонов, с помощью которых можно получить различные чистые тона. Маленькие камертоны, изготовленные из тонких прутьев, колеблются с большой частотой, а большие имеют меньшую частоту колебаний.

Подставка камертона – деревянный ящик, открытый с одной стороны. Если открытую сторону ящика закрыть, то звук камертона становится слабее. Ящик, усиливающий звук, называют резонатором.

Камертон

Дело в том, что воздух, который находится внутри ящика, можно заставить совершать колебания, если его вывести из состояния равновесия, как целое. Частота возникающих при этом собственных колебаний, зависит от объема ящика, в котором находится воздух. Поэтому размеры ящика делают такими, чтобы собственная частота колебаний воздушного столба оказалась близкой к основному тону камертона. Когда камертон звучит, колебания давления окружающего воздуха действуют на столб воздуха в ящике как внешняя периодическая сила. И появляются уже знакомые нам вынужденные колебания, частота которых совпадает с собственной частотой резонатора. Амплитуда колебаний акустического давления благодаря этому резко возрастает.

Вернемся теперь к колоколу. Почему он издает звуки? Могучее звучание колокола происходит вследствие колебания его стенок. А стенки приводятся в колебательное движение ударом языка, который находится внутри колокола. Он укреплен в его верхней точке.

Колебание стенки происходит так, что колокол как бы делится на четыре равные части. При этом если две противоположные сближаются, то две другие удаляются. Линии раздела называются узловыми. Вспомните узлы камертона.

При таком делении колокол издает основной тон. Иногда, в зависимости от того, как мы ударим колокол, кроме основного тона, появляются верхние тона. При этом происходит деление колокола на большое число частей – сегментов.

Схема звучания колокола

Каждый колокол имеет свой, отличный от других тембр. Толщина стенок колокола делается неодинаковой. Это и создает обертоны. Снизу его стенки очень толстые, а к вершине их толщина заметно уменьшается. А объем воздуха внутри колокола является резонатором, который усиливает его колебания.

Число колебаний колокола, которому соответствует основной тон, зависит от его толщины и диаметра.

Подсчитать основной тон Царь‑колокола можно только весьма приближенно из‑за сложности его формы.

Строгий расчет представляет собой довольно сложную математическую задачу, решение которой тем не менее все же останется приближенным.

Когда такой подсчет был сделан, оказалось, что основной тон Царь‑колокола должен был быть очень низким. Вряд ли этот низкий звук могли все услышать.

Но ведь колокол не дает одного основного тона. В его тембре имеется много высших тонов.

Различная толщина колоколов как раз и делается для того, чтобы было возможно ударом языка в различных местах возбуждать различное число высших тонов.

Так что более высокие тона Царь‑колокола наверняка были бы слышны.

Это хорошо знали мастера глубокой древности, оставившие нам замечательные памятники своего искусства, среди которых видное место занимает гигант Московского Кремля.

* * *

Самый совершенный из всех источников звука – голосовой орган человека. Это очень сложный аппарат – сложнее любого музыкального инструмента.

Легкие, гортань, голосовая щель, голосовые связки, воздушные полости рта – вот что дает возможность человеку говорить, петь, кричать. Как он это делает?

Воздух, выходя из легких при их сжатии, проходит через дыхательную трубу, на конце которой расположены эластичные голосовые связки. Проходя в узкую щель между голосовыми связками, воздух заставляет их совершать различные колебания.

Строение голосового аппарата человека

Частота этих колебаний зависит от того, как напряжены голосовые связки.

Иногда, когда человек простужен, появляется хрипота голоса. Это происходит оттого, что мокрота попадает в щель между голосовыми связками.

Что делает голос человека таким совершенным источником звука? Во‑первых, скорость и точность, с которой голосовые связки могут изменять свое натяжение, форму и ширину щели, а также резонансная полость рта, геометрические размеры которой меняются в связи с изменением положения голосовых связок.

В одной из комедий замечательного французского писателя Мольера герой удивляется тому, что, сам того не зная, он всю жизнь говорил прозой.

Каждый из вас произносит различные звуки. Но как эти звуки образуются, не все знают.

Мы сейчас расскажем об этом, и многие из вас окажутся в положении господина Журдена – героя комедии Мольера.

Вот, например, образование гласных звуков.

Они создаются голосовыми связками. Но звучат гласные очень сильно. Как создается такое сильное звучание?

Оказывается, воздушные полости рта создают усиление этих звуков – получается резонанс. При этом усиливаются только те обертоны, частота которых в четное число раз больше частоты основного тона.

Когда мы произносим гласные «о», «у», «а», все воздушные полости образуют один большой резонатор. Зато, произнося «е» и «и», мы перегораживаем полость рта нёбной заслонкой на две части.

В этом случае передняя полость усиливает высокие частоты, а задняя – низкие.

Согласные звуки глуше гласных. В их воспроизведении участвуют не только голосовые связки. Важную роль в правильном воспроизведении этих звуков играет трение струи воздуха. Если струя проходит между языком и зубами, появляется звук «с»; между языком и твердым нёбом – звуки «ж», «з», «ш» и «ч»; между языком и мягким нёбом – звуки «г» и «к».

Многие произносят эти звуки не очень хорошо, иностранцам трудно дается русское произношение – это все объясняется тем, что устройство рта у всех различное, а у иностранцев сказывается привычка произносить различные звуки, в основе те же самые, по‑разному.

Говорят не только люди. Существует множество игрушек, обладающих способностью «говорить». Они устроены очень просто. Для этой цели приспособлены органные трубы. В зависимости от их числа и тона каждой трубы можно получать различные гласные звуки. Для звука «а», например, хватит всего лишь трех труб.

Разрез органной трубы

Некоторые куклы, устроенные довольно сложно, могут говорить даже слова, многие из них очень внятно говорят «мама».

Игрушки – предмет забавы. Но аналогичное устройство помогает многим больным людям, гортань которых повреждена.

Созданы образцы искусственных гортаней, которые дают возможность людям внятно говорить. При этом человек пользуется воздухом легких, а высоту тона регулирует рукой. По трубке звук, полученный таким образом, поступает в воздушную полость, где и появляется речь. Речь человека с искусственной гортанью вполне членораздельна, ее можно хорошо понимать.