綜合力學(xué)現(xiàn)象的手風(fēng)琴演奏力學(xué)分析研究

1、綜合力學(xué)現(xiàn)象的手風(fēng)琴演奏力學(xué)分析研究 摘要：任何一種器樂都是建立在物理力學(xué)學(xué)科z上的藝術(shù)學(xué)科，力學(xué)對(duì)器樂木身及其演奏方 式方法等都有著重要影響。針對(duì)力學(xué)原理和現(xiàn)象，從力學(xué)角度研究手風(fēng)琴演奏的方式方法, 冃的在于以較為科學(xué)的理論角度尋找力學(xué)對(duì)演奏存在的影響，并對(duì)手風(fēng)琴演奏中的姿勢(shì)、觸 鍵、風(fēng)箱運(yùn)行等具體實(shí)踐操作與力學(xué)的關(guān)系進(jìn)行探析。從微觀入手，逐漸聯(lián)系宏觀視角范圍， 分析了物理學(xué)中的杠桿原理、動(dòng)屋定理、加速度原理、作用力與反作用力定理等在手風(fēng)琴演 奏姿態(tài)、風(fēng)箱運(yùn)用和觸鍵屮的應(yīng)用。結(jié)果表明：通過對(duì)手風(fēng)琴演奏的力學(xué)現(xiàn)象分析，可以得 到一種更為科學(xué)、省力、協(xié)調(diào)的手風(fēng)琴演奏方式，從而豐富和完善手風(fēng)琴演奏

2、理論體系的建 構(gòu)。從理性的角度解讀力的存在及其應(yīng)用對(duì)于手風(fēng)琴器樂演奏的具冇重大意義和作川，這冇 助于解決實(shí)際演奏問題，并提供科學(xué)訓(xùn)練及指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：丿j學(xué)；手風(fēng)琴；風(fēng)箱；觸鍵1. introduction有研究表明任何一種樂器的創(chuàng)造、發(fā)明、制作都牽涉到物理知識(shí)，如樂器的外觀、實(shí)用 度、制造所需的材料、發(fā)聲的過程等都涉及力學(xué)知識(shí)。在演奏屮，許多材料及具相對(duì)應(yīng)的性 能、原理都可利用物理方式進(jìn)行測(cè)量與檢驗(yàn)，如動(dòng)態(tài)、強(qiáng)度、頻率等等。在手風(fēng)琴演奏過程 中，觸鍵、推拉風(fēng)箱等技巧動(dòng)作也蘊(yùn)含著很多力學(xué)原理，值得廣大手風(fēng)琴愛好者和物理迷們 進(jìn)行深入、全面的探索和研究。音樂學(xué)科其他學(xué)科的交叉整合能誘發(fā)思維、啟辿創(chuàng)

3、新，能 豐富手風(fēng)琴演奏藝術(shù)理論知識(shí)，并能不斷發(fā)展、深化、拓展手風(fēng)琴演奏藝術(shù)更為系統(tǒng)的理 論體系，能為手風(fēng)琴演奏藝術(shù)理論的發(fā)展提供更為全面的理論支撐。在手風(fēng)琴演奏藝術(shù)中, 演奏姿勢(shì)、觸鍵、風(fēng)箱運(yùn)行等技巧同樣涉及諸多力學(xué)知識(shí)，簡(jiǎn)單舉例來說，演奏者丿施于琴鍵 和風(fēng)箱的作用力對(duì)手風(fēng)琴的演奏效果具有決定性作用，因?yàn)檠葑嗾咄ㄟ^力作用于琴的這一演 奏過程，正是包含力的運(yùn)行與轉(zhuǎn)化的過程（即動(dòng)能轉(zhuǎn)化為聲能）。早期國(guó)內(nèi)冇關(guān)手風(fēng)琴演奏 力學(xué)分析中冇提到冇手風(fēng)琴與物理學(xué)的關(guān)系，文章雖談及手風(fēng)琴的結(jié)構(gòu)與表現(xiàn)力，但涉及的 物理學(xué)問題僅限于黃片的發(fā)聲與風(fēng)箱的用力情況，也冇就鍵盤演奏力學(xué)與風(fēng)箱演奏力學(xué)兩方 面對(duì)手風(fēng)琴演奏中的

4、力的方向與狀態(tài)問題進(jìn)行了初步探討，但論證相對(duì)較為淺顯。而國(guó)外關(guān) 于手風(fēng)琴演奏藝術(shù)與物理學(xué)的研究的資料則更少。國(guó)內(nèi)外研究資料中的研究對(duì)象并未系統(tǒng)地 針對(duì)手風(fēng)琴演奏藝術(shù)與力學(xué)，因此，力學(xué)在手風(fēng)琴演奏藝術(shù)中的應(yīng)川具有很高的研究意義。 本文在第2節(jié)中首先簡(jiǎn)要介紹了手風(fēng)琴演奏中的重要技巧及力學(xué)現(xiàn)彖和原理，第3節(jié)從力學(xué) 角度分析了手風(fēng)琴演奏姿態(tài)以及觸鍵和風(fēng)箱中存在的力學(xué)現(xiàn)象，第4節(jié)對(duì)在實(shí)際操作中應(yīng)用 力學(xué)現(xiàn)彖和原理影響音色、音質(zhì)的體現(xiàn)表達(dá)進(jìn)行定雖:化的仿真分析，最后是結(jié)論。通過力 學(xué)原理對(duì)手風(fēng)琴演奏進(jìn)行力學(xué)分析，確實(shí)冇助于更為合理地控制手風(fēng)琴、科學(xué)演奏手風(fēng)琴的 方式方法。2. state of the a

5、rt在手風(fēng)琴演奏姿態(tài)、觸鍵方式與技巧、風(fēng)箱運(yùn)行三個(gè)部分中，存在著多方面的力學(xué)現(xiàn)象 和原理。首先是“重力”，重力是指由于地球吸引而使物體受到的力，其方向總是豎直向下。 手風(fēng)琴需要演奏者依靠背帶或腿部支撐承擔(dān)琴體自身重力進(jìn)行演奏，因此不論在相對(duì)靜姿還 是全身性綜合律動(dòng)等各演奏姿態(tài)屮，重力必定會(huì)對(duì)演奏產(chǎn)生影響。其次是“拉力與推力”， 拉力與推力在手風(fēng)琴演奏中指：左手將拉仲或推動(dòng)z力作用于風(fēng)箱，使風(fēng)箱狀態(tài)與運(yùn)行軌跡 （在風(fēng)箱彈性限度以內(nèi)）產(chǎn)生改變的力，拉力與推力始終貫穿于手風(fēng)琴風(fēng)箱運(yùn)動(dòng)的全過程, 是風(fēng)箱運(yùn)行中最棊本的力學(xué)原理?！芭ｎD第三定律”，又稱為“作用力與反作用力定律”，內(nèi) 容主要是“當(dāng)兩個(gè)物體互

6、相作用時(shí)，彼此施加于對(duì)方的力，其人小相等、方向相反”。在觸 鍵技巧中,牛頓第三定理是非常值得我們加以分析研究與借鑒的力學(xué)原理知識(shí)。還冇“杠桿 原理”，指作用在杠桿上的兩個(gè)力矩的人小必與杠桿平衡的相互關(guān)系，在杠桿原理中包含三 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):支點(diǎn)、用力點(diǎn)和阻力點(diǎn)，在風(fēng)箱技巧的運(yùn)用中可產(chǎn)生一定的效用。最后是“動(dòng)量 定理”，其內(nèi)容為物體動(dòng)量的增量等于它所受合外力的沖量或所有外力的沖量的矢量和，或 所有外力的沖量的矢量和，如來風(fēng)箱所需獲得的動(dòng)量是一定的，那么我們既可以加人外力拉 力也可以通過延長(zhǎng)加速度作用時(shí)間來獲得。3. methodology3.1手風(fēng)琴演奏姿態(tài)的力學(xué)分析在手風(fēng)琴演奏中，演奏姿態(tài)的正確與否

7、，胃接關(guān)系到手風(fēng)琴存在的力對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)性能的影響, 而根據(jù)力的承受與分布狀態(tài)調(diào)整身體姿勢(shì)乂能促進(jìn)演奏中所需z力的自由運(yùn)用。手風(fēng)琴演奏中, 演奏者需承載著琴體重量進(jìn)行演奏，根據(jù)重力表達(dá)公式：g = mg(g =9.8n/kg) (1)可知，地球上同一地點(diǎn)，物體的質(zhì)量越人，受到的朿力越人，我們可以通過止確的演奏姿勢(shì)來克 服琴體a重力的負(fù)影響，同吋也町利用琴體冇效自重力來協(xié)助演奏。手風(fēng)琴演奏屮的姿勢(shì)分坐姿 與站姿兩類，坐姿和對(duì)較輕松，使用聲遍，站姿相對(duì)較累。坐姿屮，琴體重力依靠腿與肩的支撐 力進(jìn)行支捋，受力點(diǎn)集中于演奏者的左腿以及雙用上(如圖1),三處受力點(diǎn)共同承擔(dān)琴體重力， 力的分布以左丿腿受力點(diǎn)為

8、主，肩膀受力點(diǎn)為輔，我們偶爾可見演奏者墊毛巾于左觀來緩解重力壓 迫感,因此左腿較雙啟受力稍多。在站姿中，由于左腿受力點(diǎn)消失，受力處完全轉(zhuǎn)移集中于啟膀(如圖2),琴體重力主要依靠雙啟與站立的雙腳支撐力進(jìn)行支撐。較坐姿而言，兩處受力點(diǎn)的分 布以雙肩為主，腿部受力點(diǎn)消失，此種情況會(huì)使演奏者對(duì)垂直方向的琴體重力感更加明顯。因此 站姿較坐姿更累。fig.(l) sitting posture in accordion performancefig.(2) standing posture in accordion performance3.2手風(fēng)琴演奏觸鍵中的力學(xué)分析觸鍵是手風(fēng)琴演奏技巧中的另一個(gè)重要組

9、成部分，它同時(shí)也是手指按擊鍵盤的力學(xué)運(yùn)動(dòng)，對(duì) 此過程中的一些重要力學(xué)原理進(jìn)行系統(tǒng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?，無疑能促進(jìn)演奏者更快、更好地掌握觸鍵 技巧。根據(jù)牛頓第三定律可知，力是物體間的相互作用，冇作用力亦冇反作用力，受力物為施力 物，施力物亦為受力物，即= -f2 (2)我們?cè)谘葑噙^程中，當(dāng)手指按下琴鍵時(shí)，會(huì)對(duì)琴鍵產(chǎn)生一個(gè)作川力(r),琴鍵也會(huì)對(duì)手指產(chǎn)牛 一個(gè)反作用力(f2), f.越大，d就會(huì)越大。rh此可證，當(dāng)手指施力于琴鍵時(shí)，手指為施力物，琴 鍵為受力物，相應(yīng)的，手抬自身也同時(shí)成為受力物，琴鍵成為酒力物，這時(shí)，我們可將鍵盤的力 稱為反作用力(如圖3)。在演奏過程中，我們要特別注重手指對(duì)琴鍵所施作用力

10、的調(diào)控，理論 上手指施加給琴鍵的作用力只要達(dá)到能把琴鍵按下即可，因?yàn)檫@樣琴鍵給手指的反作用力就會(huì)達(dá) 到最小值，手指才能得到最大限度的解放。演奏快速、密集需要顆粒感的音樂內(nèi)容時(shí)，我們?cè)谑?加最小作用力的同時(shí)，還應(yīng)考慮到手指借助反作用力迅速離鍵的動(dòng)作，適量增加正向作用力；而 當(dāng)我們需要演奏保持音或莫它給人以沉重感的和弦時(shí)，便需要合理加強(qiáng)手指對(duì)按鍵的力度來加大 莫對(duì)手指的反作川力，給手指一種沉重、遲鈍之感，來完美詮釋音樂所需的厚重、穩(wěn)健感。反彈觸鍵是手風(fēng)琴演奏屮一種特殊他鍵技巧，是在基木觸鍵方式的基礎(chǔ)上，依靠反作用力獲 得瞬間反彈z力的觸鍵形式。利用反作用力進(jìn)行反彈觸鍵容易陷入一個(gè)誤區(qū)即：作川力越大

11、，反 作用力越大，便町促進(jìn)反彈觸鍵的演奏效果。其實(shí)不然，以右手為例：由于反彈觸鍵時(shí)反作用力 占主導(dǎo)地位，但仍有另一力學(xué)原理一同參與影響觸鍵即“胡克定律”，它指出在彈性限度內(nèi)，物 體的形變跟引起形變的外力成正比，用公式表示為：f = k-%或af = k ax (3)其中k是常數(shù)，是物體的勁度系數(shù)，f是力，x是形變量。我們的手風(fēng)琴鍵盤是一個(gè)由彈簧拉看的 機(jī)械裝置，演奏時(shí)通過觸鍵按壓鍵盤拉動(dòng)彈簧揭開音蓋而發(fā)音。在這一過程中，曲于彈簧的勁度 系數(shù)k是不變的，彈簧的拉升長(zhǎng)度即鍵盤的深度通常情況下略為lcm,因此手指的力度f與彈簧形 變之間就形成了如下關(guān)系一、手指的力度f越人，彈簧的形變x就越人，反之則

12、小。二、不管你的作用力冇多大，彈簧形變量只冇約1cm的范圍?！昂硕伞备嬖V我們右于觸鍵時(shí)，山于 拉動(dòng)鍵盤的彈簧形變量存在差異，我們需要較好地控制手的力度通常情況下各手指的力度應(yīng)該是 均勻的，下鍵的力也應(yīng)是竟可能小的剛好抵消彈贊的彈力即可，但根據(jù)音樂表現(xiàn)的不同需要，觸 鍵作用力是需靈活、合理地運(yùn)用及調(diào)整的。fig.(3) keyboard action and reaction3.3手風(fēng)琴演奏風(fēng)箱中的力學(xué)分析手風(fēng)琴區(qū)別于其它鍵盤樂器的顯苦特點(diǎn)即它是配合按鍵后，依靠拉、推風(fēng)箱產(chǎn)生的氣流豉吹 彈簧片引起振動(dòng)而發(fā)聲，屬贊片振動(dòng)樂器，莫?jiǎng)恿υ炊±?、推風(fēng)箱的運(yùn)行過程。風(fēng)箱技巧主要可 分為三類：平風(fēng)箱演奏

13、技巧、頓風(fēng)箱演奏技巧和抖風(fēng)箱演奏技巧。平風(fēng)箱運(yùn)行主要受重力與支撐 力，手臂拉力與推力的影響，這些力的運(yùn)用與運(yùn)行主要包含以下幾種力學(xué)現(xiàn)象與原理：“杠桿原 理”，用代數(shù)式表示為：fx-lx = f2 l2 (4)在杠桿原理中包含三個(gè)點(diǎn)支點(diǎn)、用力點(diǎn)和阻力點(diǎn)。在我們平風(fēng)箱演奏過程中，支點(diǎn)是風(fēng)箱下 端與左丿腿的結(jié)合處，由于左手推拉風(fēng)箱的著力點(diǎn)與支點(diǎn)之間的力v?相對(duì)固定，于是起重要作用的 就是杠桿原理中的支點(diǎn)(如圖4)。支點(diǎn)的作川主耍體現(xiàn)在以下幾個(gè)方而：省力、協(xié)助風(fēng)箱平穩(wěn)運(yùn) 行、為風(fēng)箱運(yùn)行其它圖示或個(gè)性化運(yùn)行提供支撐。在杠桿原理的作用下，風(fēng)箱自身的重力由純粹 的阻力轉(zhuǎn)化成了動(dòng)力的一部分，我們的左手只需稍稍

14、用力，風(fēng)箱就能輕松、h然地打開。在實(shí)際 演奏過程中，因當(dāng)我們抖動(dòng)風(fēng)箱時(shí)，應(yīng)盡量選擇距支點(diǎn)較遠(yuǎn)的施力處，讓動(dòng)力竹達(dá)到一定長(zhǎng)度, 動(dòng)力臂越長(zhǎng)則抖動(dòng)越省力。頓風(fēng)箱是手風(fēng)琴演奏中另一常用基木演奏技巧，頓風(fēng)箱演奏音樂時(shí)，具備兩個(gè)特點(diǎn)：一是爆 發(fā)感，一是集中性，產(chǎn)生的曲調(diào)激情、強(qiáng)烈。這一演奏特點(diǎn)與力的大小、速度等有立接關(guān)系，演 奏技巧中除涵蓋平風(fēng)箱中基本力學(xué)現(xiàn)象與原理外，“牛頓第二定律”還對(duì)其起到了重要作用。設(shè) 風(fēng)箱的質(zhì)量為m,左手的拉力為f,則在這種拉力作用下產(chǎn)生的加速度為a,通過表達(dá)式：f = ma (5)我們得知琴的質(zhì)量m不變，拉力f越大，加速度a就越大。同時(shí)，頓風(fēng)箱不僅僅是一個(gè)力大的問題， 它需要

15、的是爆發(fā)力的瞬間發(fā)生，因此加速度的作用時(shí)間也需極為敏捷。在實(shí)際演奏過程屮，由于 上述原理，也由于頓風(fēng)箱需要爆發(fā)和有彈性的聲音從音樂角度，我們必須在戢短的時(shí)間內(nèi)，突然 發(fā)力，借助加速度原理，敏捷地使風(fēng)箱內(nèi)的氣體迅速變得更為活躍和有力度感進(jìn)而產(chǎn)生果敢、堅(jiān) 決、富有彈性的音響效果。fig>(4) positive sector open bellows抖風(fēng)箱技巧是手風(fēng)琴演奏屮極富技巧性與特性的風(fēng)箱演奏形式，這一技巧通過風(fēng)箱快速、密 集的抖動(dòng)，來檢釋與體現(xiàn)手指彈奏中所無法企及的震顫效果與音響效果。在三抖以上的抖風(fēng)箱技 巧中，“動(dòng)量定理”可以作為風(fēng)箱技巧應(yīng)用的方式原理。其內(nèi)容為物體動(dòng)量的增量等于它

16、所受合 外力的沖量或所有外力的沖量的矢量和：ft - m- av = mv-mv (6)三抖以上抖風(fēng)箱技巧中箱體上下兩端會(huì)產(chǎn)生頻繁碰撞，由于手風(fēng)琴風(fēng)箱右側(cè)是固定不動(dòng)旳，所以 在碰撞發(fā)生厲，所有的動(dòng)量或能量都會(huì)集中于風(fēng)箱左側(cè)的活動(dòng)部位。在利用這一原理時(shí)，我們?nèi)?需注意要遵循適度廉則。如果碰撞強(qiáng)烈，將出現(xiàn)較大風(fēng)箱撞擊之聲，從而妨礙演奏的音響效果。 因此，演奏者應(yīng)?？嘏鲎瞶度，在恰好接觸風(fēng)箱右側(cè)固定部位之時(shí)，便順勢(shì)利用反彈之力迅速離 開轉(zhuǎn)換觸碰點(diǎn),將撞擊之聲盡量減到最小分貝值，以便在利川碰撞達(dá)到省力效果的同時(shí),也能這 染出出色的音響效果與氛圍。3.4手風(fēng)琴演奏力學(xué)現(xiàn)象實(shí)例分析通過上面的分析我們知道，

17、手風(fēng)琴演奏者在不同的演奏姿勢(shì)下受力是不同的，下面我們通過 組實(shí)證數(shù)據(jù)具體分析。手風(fēng)琴演奏者在演奏時(shí)，大約有41%的人身體前傾，有30%的人處于身 體后傾姿勢(shì)，為了全面的分析不良姿勢(shì)對(duì)人休肌骨系統(tǒng)的影響，本實(shí)驗(yàn)要求受試者做以下動(dòng)作: 直立坐姿，駝背坐姿，前傾坐姿，后傾坐姿，左傾坐姿，右傾坐姿。以直立坐姿下腰椎z(mì)間的作 川力為基準(zhǔn)，不同處姿下腰椎之間的壓力與直立處姿下腰椎壓力的百分比進(jìn)行分析。得到表1。4. result analysis and discussion5. conclusions1 berezhnoy v. specifics of the russian accordion ti

18、mbre in duet performancej. 2015. 21 shi y. study on coitelation between the mechanics performance and road performance oflime-ash macadam subbase materialfjl. urbanism & architecture, 201331 ko h j, moon j h, lee h e. simulation of accordion effect of i-girder with corrugated steel websfj. appli

19、ed mechanics & materials, 2013, 284-287:1416-1420.4 chu f, cao y、qi g z, et al. experimental study of bellows duct grouting compactness with quantitative detection. applied mechanics & materials, 2014, 716-717:322-327.51 elshawesh e elhoud a, zeglam w, et al. corrosion fatigue of incoloy 825

20、 flare gas linebellows of expansion jointsfj. journal of failure analysis & prevention, 2015, 15(1):7-14. 61 zhou s l, zhang f, cao y. the experimental study of ultrasonic testing prestressed bellowspore grouting qualityj. applied mechanics & materials, 2014, 711:461 -4687 carras g j. accord

21、i on keyboard con trolled accompa nimental tone generatorj. internatio nal journal of computer applications, 2013, 62(10):32-37.8 ko h j, moon j h, lee h e. simulation of accordion effect of i-girder with corrugated steel websfj. applied mechanics & materials, 2013, 284-287:1416-1420.91 feng p e

22、, zeng l b, qiu q y, et al. working mechanism and its application of mechanical principle decomposition symmetryjl. zhejiang daxue xuebao (gongxue ban)/journal of zhejiang university (engineering science edition, 2014,48(2):181-91.10 tian w, yang l. principle, characteristic and application of scanning probe microscope