A volte suonano

Gli strumenti a fiato sono tra i più antichi mai costruiti. Alcuni flauti del Paleolitico, ricavati da ossa di animali di oltre 40.000 anni fa, testimoniano che l’uomo aveva già scoperto un principio semplice e geniale: far vibrare l’aria dentro un tubo per creare suono. Da allora gli strumenti si sono evoluti, ma la fisica alla base della produzione del suono è rimasta la stessa. Dalla tromba al flauto, fino all’organo, tutti appartengono alla grande famiglia degli aerofoni, in cui la musica nasce dalla vibrazione dell’aria. Quella che l’orecchio percepisce come melodia obbedisce, in realtà, a precise leggi della fisica acustica, come spiega Carlo Andrea Rozzi, ricercatore dell’Istituto nanoscienze (Nano) del Cnr, che svolge regolarmente attività di public engagement e divulgazione scientifica, anche attraverso iniziative di scienza partecipata, utilizzando l'acustica musicale come chiave interdisciplinare e multisensoriale per stimolare l'interesse verso la fisica fondamentale e la fisica della materia in particolare.

“Con pochissime eccezioni, gli aerofoni, cioè gli strumenti in cui il mezzo vibrante primario è l'aria, sono composti da due parti funzionali: un tubo, che serve a contenere e definire la lunghezza e la forma della colonna d'aria vibrante, e un dispositivo per mettere l'aria in vibrazione”, spiega Carlo Andrea Rozzi, dell’Istituto nanoscienze (Nano) del Cnr. “Il suono non è prodotto dal flusso continuo dell'aria, come ad esempio quando si soffia sulle candeline, bensì dalla sua vibrazione, che consiste in una successione di zone di compressione e dilatazione che si propagano lungo il tubo”. È per questo che, se si prova a soffiare in una tromba senza la giusta tecnica, non si ottiene alcuna nota, ma solo un indistinto fruscio. Il segreto non è soffiare più forte, ma far vibrare l’aria nel modo corretto. La lunghezza, la forma, i dettagli costruttivi del tubo e solo da ultimo il materiale di cui è fatto determinano le note eseguibili e il timbro dello strumento.

A seconda del meccanismo con cui si genera la vibrazione dell’aria, si distinguono i legni dagli ottoni. Nei legni, come il flauto, la vibrazione è causata da un intaglio. “Soffiando sull'intaglio con il giusto angolo e la giusta intensità si verifica un fenomeno aerodinamico curioso e complesso: il flusso d'aria, anziché dividersi in due parti uguali, metà dentro e metà fuori dal tubo, alterna in modo regolare momenti in cui va tutto verso l'interno oppure tutto verso l'esterno”, chiarisce il ricercatore. “Questa alternanza di piccole spinte produce le compressioni necessarie all'innesco delle vibrazioni. In altri legni, come il clarinetto, invece, la vibrazione dell'aria è prodotta da una lamella, l’ancia, che oscilla aprendo e chiudendo l'imboccatura quando ci si soffia contro. Negli ottoni, invece, la vibrazione nasce dalle labbra del musicista, che, con l’aiuto del bocchino, producono una sorta di piccola ‘pernacchia’ controllata, capace di innescare la risonanza del tubo”.

Una volta che la vibrazione entra nel tubo, viaggia al suo interno alla velocità del suono. Quando raggiunge l’altra estremità del tubo, una parte delle onde acustiche esce, mentre un’altra parte si riflette indietro. “All'interno del tubo, le compressioni e dilatazioni dell'aria che vanno si sovrappongono con quelle che tornano, dando origine al fenomeno dell'interferenza. Ma se una compressione e una dilatazione opposta avvengono nello stesso punto si cancellano tra loro”, aggiunge l’esperto. “Per evitare che questa interferenza distruttiva cancelli il suono bisogna che le vibrazioni avvengano alla giusta frequenza favorendo la loro interferenza costruttiva. Per questo motivo un tubo sonoro semplice non può produrre qualunque nota, ma solo alcune note alle giuste frequenze, dette di risonanza”.

Allora come si fa ad ottenere tutte le altre note? Semplice: si modifica la lunghezza della colonna dell'aria vibrante praticando dei fori nel tubo, come nel flauto, oppure aggiungendo tratti di canneggio mediante un sistema di valvole che possono essere aperte e chiuse a piacere dello strumentista, come avviene nella tromba moderna. L'alternativa è di disporre di tante canne di diverse lunghezze quante sono le note desiderate. Questa soluzione è adottata ad esempio nell'organo.

Anche la forma del tubo influisce sul suono: strumenti a corpo cilindrico, come il flauto o il clarinetto, hanno risonanze diverse rispetto a quelli a corpo conico, come l’oboe o il saxofono. La parte finale del tubo, che spesso si apre a campana, serve ad amplificare e diffondere meglio il suono all’esterno.

Fonte: Carlo Andrea Rozzi, Istituto nanoscienze, carloandrea.rozzi@nano.cnr.it