综合力学现象的手风琴演奏力学分析研究.docx

综合力学现象的手风琴演奏力学分析研究摘要：任何一种器乐都是建立在物理力学学科之上的艺术学科，力学对器乐本身及其演奏方式方法等都有着重要影响。针对力学原理和现象，从力学角度研究手风琴演奏的方式方法，目的在于以较为科学的理论角度寻找力学对演奏存在的影响，并对手风琴演奏中的姿势、触键、风箱运行等具体实践操作与力学的关系进行探析。从微观入手，逐渐联系宏观视角范围，分析了物理学中的杠杆原理、动量定理、加速度原理、作用力与反作用力定理等在手风琴演奏姿态、风箱运用和触键中的应用。结果表明：通过对手风琴演奏的力学现象分析，可以得到一种更为科学、省力、协调的手风琴演奏方式，从而丰富和完善手风琴演奏理论体系的建构。从理性的角度解读力的存在及其应用对于手风琴器乐演奏的具有重大意义和作用，这有助于解决实际演奏问题，并提供科学训练及指导。关键词：力学；手风琴；风箱；触键1. INTRODUCTION有研究表明任何一种乐器的创造、发明、制作都牵涉到物理知识，如乐器的外观、实用度、制造所需的材料、发声的过程等都涉及力学知识。在演奏中，许多材料及其相对应的性能、原理都可利用物理方式进行测量与检验，如动态、强度、频率等等。在手风琴演奏过程中，触键、推拉风箱等技巧动作也蕴含着很多力学原理，值得广大手风琴爱好者和物理迷们进行深入、全面的探索和研究。音乐学科与其他学科的交叉整合能诱发思维、启迪创新，能丰富手风琴演奏艺术理论知识，并且能不断发展、深化、拓展手风琴演奏艺术更为系统的理论体系，能为手风琴演奏艺术理论的发展提供更为全面的理论支撑。在手风琴演奏艺术中，演奏姿势、触键、风箱运行等技巧同样涉及诸多力学知识，简单举例来说，演奏者施于琴键和风箱的作用力对手风琴的演奏效果具有决定性作用，因为演奏者通过力作用于琴的这一演奏过程，正是包含力的运行与转化的过程（即动能转化为声能）。早期国内有关手风琴演奏力学分析中有提到有手风琴与物理学的关系，文章虽谈及手风琴的结构与表现力，但涉及的物理学问题仅限于黃片的发声与风箱的用力情况，也有就键盘演奏力学与风箱演奏力学两方面对手风琴演奏中的力的方向与状态问题进行了初步探讨，但论证相对较为浅显。而国外关于手风琴演奏艺术与物理学的研究的资料则更少。国内外研究资料中的研究对象并未系统地针对手风琴演奏艺术与力学，因此，力学在手风琴演奏艺术中的应用具有很高的研究意义。本文在第2节中首先简要介绍了手风琴演奏中的重要技巧及力学现象和原理，第3节从力学角度分析了手风琴演奏姿态以及触键和风箱中存在的力学现象，第4节对在实际操作中应用力学现象和原理影响音色、音质的体现与表达进行定量化的仿真分析，最后是结论。通过力学原理对手风琴演奏进行力学分析，确实有助于更为合理地控制手风琴、科学演奏手风琴的方式方法。2. STATE OF THE ART在手风琴演奏姿态、触键方式与技巧、风箱运行三个部分中，存在着多方面的力学现象和原理。首先是“重力”，重力是指由于地球吸引而使物体受到的力，其方向总是竖直向下。手风琴需要演奏者依靠背带或腿部支撑承担琴体自身重力进行演奏,因此不论在相对静姿还是全身性综合律动等各演奏姿态中，重力必定会对演奏产生影响。其次是“拉力与推力”，拉力与推力在手风琴演奏中指：左手将拉伸或推动之力作用于风箱,使风箱状态与运行轨迹（在风箱弹性限度以内）产生改变的力，拉力与推力始终贯穿于手风琴风箱运动的全过程,是风箱运行中最基本的力学原理。“牛顿第三定律”，又称为“作用力与反作用力定律”，内容主要是“当两个物体互相作用时，彼此施加于对方的力，其大小相等、方向相反”。在触键技巧中,牛顿第三定理是非常值得我们加以分析研究与借鉴的力学原理知识。还有“杠杆原理”，指作用在杠杆上的两个力矩的大小必与杠杆平衡的相互关系，在杠杆原理中包含三个关键点:支点、用力点和阻力点，在风箱技巧的运用中可产生一定的效用。最后是“动量定理”，其内容为物体动量的增量等于它所受合外力的冲量或所有外力的冲量的矢量和，或所有外力的冲量的矢量和，如果风箱所需获得的动量是一定的，那么我们既可以加大外力拉力也可以通过延长加速度作用时间来获得。3. METHODOLOGY3.1 手风琴演奏姿态的力学分析 在手风琴演奏中，演奏姿态的正确与否,直接关系到手风琴存在的力对肢体运动性能的影响，而根据力的承受与分布状态调整身体姿势又能促进演奏中所需之力的自由运用。手风琴演奏中，演奏者需承载着琴体重量进行演奏，根据重力表达公式： （1）可知，地球上同一地点，物体的质量越大，受到的重力越大，我们可以通过正确的演奏姿势来克服琴体自重力的负影响，同时也可利用琴体有效自重力来协助演奏。手风琴演奏中的姿势分坐姿与站姿两类，坐姿相对较轻松，使用普遍,站姿相对较累。坐姿中，琴体重力依靠腿与肩的支撑力进行支撑,受力点集中于演奏者的左腿以及双肩上（如图1），三处受力点共同承担琴体重力，力的分布以左腿受力点为主，肩膀受力点为辅，我们偶尔可见演奏者垫毛巾于左腿来缓解重力压迫感,因此左腿较双肩受力稍多。在站姿中，由于左腿受力点消失，受力处完全转移集中于肩膀（如图2），琴体重力主要依靠双肩与站立的双脚支撑力进行支撑。较坐姿而言，两处受力点的分布以双肩为主,腿部受力点消失，此种情况会使演奏者对垂直方向的琴体重力感更加明显。因此站姿较坐姿更累。Fig.(1) Sitting posture in accordion performanceFig.(2) Standing posture in accordion performance3.2 手风琴演奏触键中的力学分析触键是手风琴演奏技巧中的另一个重要组成部分，它同时也是手指按击键盘的力学运动，对此过程中的一些重要力学原理进行系统、严谨的分析，无疑能促进演奏者更快、更好地掌握触键技巧。根据牛顿第三定律可知，力是物体间的相互作用，有作用力亦有反作用力，受力物为施力物，施力物亦为受力物，即 （2）我们在演奏过程中，当手指按下琴键时, 会对琴键产生一个作用力（F1），琴键也会对手指产生一个反作用力(F2)，F1越大，F2就会越大。由此可证，当手指施力于琴键时，手指为施力物，琴键为受力物，相应的，手指自身也同时成为受力物，琴键成为施力物，这时，我们可将键盘的力称为反作用力（如图3）。在演奏过程中，我们要特别注重手指对琴键所施作用力的调控，理论上手指施加给琴键的作用力只要达到能把琴键按下即可，因为这样琴键给手指的反作用力就会达到最小值，手指才能得到最大限度的解放。演奏快速、密集需要颗粒感的音乐内容时，我们在施加最小作用力的同时，还应考虑到手指借助反作用力迅速离键的动作，适量增加正向作用力；而当我们需要演奏保持音或其它给人以沉重感的和弦时，便需要合理加强手指对按键的力度来加大其对手指的反作用力，给手指一种沉重、迟钝之感，来完美诠释音乐所需的厚重、稳健感。反弹触键是手风琴演奏中一种特殊触键技巧，是在基本触键方式的基础上，依靠反作用力获得瞬间反弹之力的触键形式。利用反作用力进行反弹触键容易陷入一个误区即：作用力越大，反作用力越大，便可促进反弹触键的演奏效果。其实不然，以右手为例：由于反弹触键时反作用力占主导地位，但仍有另一力学原理一同参与影响触键即“胡克定律”，它指出在弹性限度内，物体的形变跟引起形变的外力成正比，用公式表示为：（3）其中k是常数，是物体的劲度系数，F是力，x是形变量。我们的手风琴键盘是一个由弹簧拉着的机械装置，演奏时通过触键按压键盘拉动弹簧揭开音盖而发音。在这一过程中，由于弹簧的劲度系数k是不变的，弹簧的拉升长度即键盘的深度通常情况下略为1cm，因此手指的力度F与弹簧形变之间就形成了如下关系一、手指的力度F越大，弹簧的形变x就越大，反之则小。二、不管你的作用力有多大，弹簧形变量只有约1cm的范围。“胡克定律”告诉我们右手触键时，由于拉动键盘的弹簧形变量存在差异，我们需要较好地控制手的力度通常情况下各手指的力度应该是均匀的，下键的力也应是竟可能小的刚好抵消弹簧的弹力即可，但根据音乐表现的不同需要，触键作用力是需灵活、合理地运用及调整的。Fig.(3) Keyboard action and reaction3.3 手风琴演奏风箱中的力学分析手风琴区别于其它键盘乐器的显著特点即它是配合按键后，依靠拉、推风箱产生的气流鼓吹弹簧片引起振动而发声，属簧片振动乐器,其动力源于拉、推风箱的运行过程。风箱技巧主要可分为三类：平风箱演奏技巧、顿风箱演奏技巧和抖风箱演奏技巧。平风箱运行主要受重力与支撑力，手臂拉力与推力的影响，这些力的运用与运行主要包含以下几种力学现象与原理：“杠杆原理”，用代数式表示为：（4）在杠杆原理中包含三个点支点、用力点和阻力点。在我们平风箱演奏过程中，支点是风箱下端与左腿的结合处，由于左手推拉风箱的着力点与支点之间的力臂相对固定，于是起重要作用的就是杠杆原理中的支点（如图4）。支点的作用主要体现在以下几个方面：省力、协助风箱平稳运行、为风箱运行其它图示或个性化运行提供支撑。在杠杆原理的作用下，风箱自身的重力由纯粹的阻力转化成了动力的一部分，我们的左手只需稍稍用力，风箱就能轻松、自然地打开。在实际演奏过程中，因当我们抖动风箱时，应尽量选择距支点较远的施力处，让动力臂达到一定长度，动力臂越长则抖动越省力。顿风箱是手风琴演奏中另一常用基本演奏技巧，顿风箱演奏音乐时，具备两个特点：一是爆发感，一是集中性，产生的曲调激情、强烈。这一演奏特点与力的大小、速度等有直接关系，演奏技巧中除涵盖平风箱中基本力学现象与原理外，“牛顿第二定律”还对其起到了重要作用。设风箱的质量为m，左手的拉力为F，则在这种拉力作用下产生的加速度为a，通过表达式：（5）我们得知琴的质量m不变，拉力F越大，加速度a就越大。同时，顿风箱不仅仅是一个力大的问题，它需要的是爆发力的瞬间发生，因此加速度的作用时间也需极为敏捷。在实际演奏过程中，由于上述原理，也由于顿风箱需要爆发和有弹性的声音从音乐角度，我们必须在最短的时间内，突然发力，借助加速度原理, 敏捷地使风箱内的气体迅速变得更为活跃和有力度感进而产生果敢、坚决、富有弹性的音响效果。Fig.(4) Positive sector open bellows抖风箱技巧是手风琴演奏中极富技巧性与特性的风箱演奏形式，这一技巧通过风箱快速、密集的抖动，来检释与体现手指弹奏中所无法企及的震颤效果与音响效果。在三抖以上的抖风箱技巧中，“动量定理”可以作为风箱技巧应用的方式原理。其内容为物体动量的增量等于它所受合外力的冲量或所有外力的冲量的矢量和：（6）三抖以上抖风箱技巧中箱体上下两端会产生频繁碰撞，由于手风琴风箱右侧是固定不动旳，所以在碰撞发生后，所有的动量或能量都会集中于风箱左侧的活动部位。在利用这一原理时，我们仍需注意要遵循适度原则。如果碰撞强烈，将出现较大风箱撞击之声，从而妨碍演奏的音响效果。因此，演奏者应掌控碰撞之度，在恰好接触风箱右侧固定部位之时，便顺势利用反弹之力迅速离开转换触碰点，将撞击之声尽量减到最小分贝值，以便在利用碰撞达到省力效果的同时，也能這染出出色的音响效果与氛围。3.4 手风琴演奏力学现象实例分析通过上面的分析我们知道，手风琴演奏者在不同的演奏姿势下受力是不同的，下面我们通过一组实证数据具体分析。手风琴演奏者在演奏时，大约有41%的人身体前倾，有30%的人处于身体后倾姿势，为了全面的分析不良姿势对人体肌骨系统的影响，本实验要求受试者做以下动作：直立坐姿，驼背坐姿，前倾坐姿，后倾坐姿，左倾坐姿，右倾坐姿。以直立坐姿下腰椎之间的作用力为基准，不同坐姿下腰椎之间的压力与直立坐姿下腰椎压力的百分比进行分析。得到表1。4. RESULT ANALYSIS AND DISCUSSION5. CONCLUSIONS1 Berezhnoy V. Specifics of the Russian Accordion Timbre in Duet PerformanceJ. 2015.2 Shi Y. Study on Correlation Between the Mechanics Performance and Road Performance of Lime-ash Macadam Subbase MaterialJ. Urbanism & Architecture, 2013.3 Ko H J, Moon J H, Lee H E. Simulation of Accordion Effect of I-Girder with Corrugated Steel WebsJ. Applied 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 DetectionJ. Applied Mechanics & Materials, 2014, 716-717:322-327.5 Elshawesh F, Elhoud A, Zeglam W, et al. Corrosion Fatigue of Incoloy 825 Flare Gas Line Bellows of Expansion JointsJ. Journal of Failure Analysis & Prevention, 2015, 15(1):7-14.6 Zhou S L, Zhang F, Cao Y. The Experimental Study of Ultrasonic Testing Prestressed Bellows Pore Grouting QualityJ. Applied Mechanics & Materials, 2014, 711:461-468.7 Carras G J. Accordion keyboard controlled accompanimental tone generatorJ. International 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 WebsJ. Applied Mechanics & Materials, 2013, 284-287:1416-1420.9 Feng P E, Zeng L B, Qiu Q Y, et al. Working mechanism and its application of mechanical principle decomposition symmetryJ. 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 Series