2025年12月18日木曜日

This is about the mystery of sound. A violin produces a high pitch and a cello produces a low pitch. Also, in a string telephone experiment, different sounds were produced when using sewing thread, kite string, wire, etc. Please explain in detail the mystery of how the sound changes.

 Certainly! Here is the explanation of the science behind sound differences in instruments and string telephones in English.


1. Violins vs. Cellos: Why is the "Pitch" Different?

The pitch (frequency) of a stringed instrument is primarily determined by the length, thickness, and tension of its strings.

  • String Length: Longer strings vibrate more slowly, creating a lower pitch. Since a cello is much larger than a violin, its strings are longer, resulting in deeper sounds.

  • String Thickness (Mass): Thicker and heavier strings require more energy to move and vibrate more slowly. Even on a violin, the thickest string (the G string) produces the lowest note.

  • Body Resonance: To amplify low-frequency sounds, you need a large space. A violin’s small body cannot effectively amplify deep bass, whereas a cello’s large hollow body is designed specifically to resonate with lower frequencies.


2. String Telephones: Why do Materials Change the "Tone"?

In a string telephone experiment, the difference in sound between sewing thread, kite string, and wire is caused by the material's elasticity (stiffness) and surface structure.

① Sewing Thread (Fine Cotton)

  • Characteristics: Very thin and lightweight.

  • Sound Quality: It transmits high-pitched sounds relatively well, but because it has very little mass, the sound energy fades quickly. It often results in a delicate, "scratchy" sound.

② Kite String (Thick Cotton/Twine)

  • Characteristics: Thicker than sewing thread and often has a "fuzzy" surface.

  • Sound Quality: The thickness allows it to carry lower tones better than thin thread. However, the tiny fibers on the surface create air resistance and absorb vibrations, leading to a "muffled" or softer sound.

③ Wire (Metal)

  • Characteristics: Extremely stiff and high in density.

  • Sound Quality: Sound travels much faster through metal than through fiber. Metal also has very low "damping" (meaning it doesn't soak up the vibration). This results in a very clear, sharp, and "metallic" sound that can travel much further than string.


3. The Mystery of "Overtones"

Even if the pitch is the same, a violin sounds different from a cello because of Overtones (Harmonics).

Sound is not a single clean wave; it is a combination of a fundamental frequency mixed with many smaller, faster vibrations.

  • Hard Materials (Wire): Preserve high-frequency overtones, making the sound bright and sharp.

  • Soft Materials (Cotton String): Absorb high-frequency overtones, making the sound warm and round.


Summary

  • Pitch is determined by the physical dimensions (length and thickness).

  • Timbre (Tone Quality) is determined by how the material properties transmit or absorb different frequencies of vibration.

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Would you like to explore the mathematical formulas for string vibration, or perhaps see more examples of how different materials affect acoustics?

音の謎についてです 。バイオリンは高い音 、チェロは低い音を出します。 また 糸電話の実験では裁縫の糸、 たこ糸、 針金などでは、 それぞれ変わった音になります。 さて、この音変化するの謎について具体的に解説してください。

 バイオリンやチェロといった楽器の音の違い、そして糸電話の素材による音の変化。これらには**「物理学(音響学)」**の明確なルールが隠されています。

音の変化を決める「3つの大きな要素」に注目して解説します。


1. バイオリンとチェロ:なぜ「高さ」が違うのか?

弦楽器の音の高さ(周波数)は、主に**「弦の長さ」「太さ」「張力(引っ張る強さ)」**で決まります。

  • 弦の長さ: 弦が長いほどゆっくり振動し、低い音になります。チェロはバイオリンよりも本体も弦もはるかに長いため、低い音が出ます。

  • 弦の太さ(重さ): 太くて重い弦ほど、動かすのにエネルギーが必要で振動がゆっくりになり、低い音になります。バイオリンの中でも、一番太い弦(G線)は一番低い音を出します。

  • 共鳴箱の大きさ: 低い音を響かせるには大きな空間が必要です。バイオリンの小さなボディでは低い振動を増幅できませんが、チェロの大きなボディは低い音を豊かに響かせることができます。


2. 糸電話:なぜ素材で「音色」が変わるのか?

糸電話の実験で、裁縫糸、たこ糸、針金で音が違うのは、素材の**「硬さ(弾性)」「表面の構造」**が関係しています。

① 裁縫糸(細い綿糸)

  • 特徴: 非常に細くて軽いです。

  • 音の変化: 高い音は比較的通りやすいですが、エネルギーが小さいため、音がすぐに消えてしまいがちです。少し「カサカサ」した繊細な音になります。

② たこ糸(太い綿糸)

  • 特徴: 裁縫糸より太く、表面に細かな毛羽立ちがあります。

  • 音の変化: 太さがある分、低い音もしっかり伝わります。しかし、表面の毛羽立ちが空気の抵抗となり、振動を吸収してしまうため、少し「こもった」柔らかい音になります。

③ 針金(金属)

  • 特徴: 非常に硬く、密度が高いです。

  • 音の変化: 金属は振動を伝えるスピードが糸よりも圧倒的に速く、減衰(音が小さくなること)も少ないです。そのため、糸電話よりも「キンキン」とした非常にクリアで鋭い音になり、遠くまで声が届きます。


3. 音を形作る「倍音(ばいおん)」の謎

「音の高さ」が同じでも、バイオリンとチェロ、あるいは糸と針金で「音の感じ」が違うのは**「倍音」**の含まれ方が違うからです。

音は単一の波ではなく、基本となる音に加えて、その2倍、3倍…という細かい振動が混ざり合っています。

  • 硬い素材(針金など): 高い倍音がたくさん含まれるため、鋭く明るい音に聞こえます。

  • 柔らかい素材(綿糸など): 高い倍音が吸収されやすいため、丸く落ち着いた音に聞こえます。


まとめ

  • 音の高さは、物の「長さ」や「太さ」で決まる。

  • **音の性質(音色)**は、素材の「硬さ」や「表面の状態」による振動の伝わり方で決まる。

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この「振動の科学」について、さらに詳しく(例えば、英語での解説や、もっと専門的な数式など)知りたい部分はありますか?