Un musicien physicien nous fait partager ses connaissances à propos de la scie musicale en partant du xylophone et en passant par la scie égoïne que possède tout bon bricoleur.
Fiche d’accompagnement de l’expérience:
Matériel-
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une scie égoïne
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un tournevis
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un xylophone
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un marteau
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un archet
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une scie musicale
Montage et réalisation-
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Présenter l’origine de la scie musicale
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Comparer le xylophone et la scie égoïne
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Introduire la vraie scie musicale
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Interpréter des morceaux à la scie musicale
ExplicationsL’origine de la scie musicale
L’origine de la scie musicale est difficile à établir: des bucherons dans leurs forêts en Argentine, au Canada ou en France auraient trouvé que leur scie émettait des sons et en la frappant ou en la tordant d’une certaine façon, ils auraient peu à peu organisé ces sons pour en faire de la musique.
Pour bien prouver que la scie est à l’origine de cet instrument de musique on utilise une petite scie égoïne; à l’aide d’un tournevis on maintient l’extrémité de la scie et si on frappe la scie avec un marteau elle émet des sons dont la fréquence change en changeant la courbure de la lame de scie grâce à l’action sur le tournevis.
A l’aide d’un archet on peut vraiment jouer un morceau de musique.
Comment fonctionne la scie musicale?
La scie est en forme de trapèze comme le xylophone dont les lames vibrantes peuvent être excitées avec un marteau ou un archet. Il y a donc une grande similitude entre les deux instruments.
La vraie scie musicale est un instrument plus moderne à qui on a enlevé les dents, qui fonctionne tout à fait comme le xylophone dont les lames seraient infiniment minces et soudées.
Pour que la lame émette un son il faut isoler une portion de lame (comme pour une lame de xylophone) et pour ce faire on l’a tord en S de telle manière qu’au niveau du point d’inflexion on isole une partie plate qui peut vibrer librement dans l’ai. (le xylophone a ses lames fixées au niveau des noeuds de vibration).
Pour jouer des airs de musique il suffira alors de déplacer le point d’inflexion depuis les notes les plus graves correspondant aux bandes les plus larges vers les plus aigues correspondant aux bandes les plus étroites.
Mise en évidence des noeuds et des ventres de vibration sur la scie musicale
En répandant sur la lame du sable à grains très fins, on peut mettre en évidence les noeuds (endroits où le sable s’accumule) et les ventres (abscence de sable) de vibration de la lame suivant différents modes d’excitation. (figures de Chadli)
On le montrerait de la même façon avec une vraie scie égoïne.
Présentation de la lame
La lame est en acier trempé de 10/10 ème d’épaisseur et il faut que son axe de symétrie soit parallèle au sens de laminage de l’acier.
La forme influe beaucoup sur l’instrument et il est indispensable qu’elle soit de forme trapézoïdale.
Plus elle est large en bas et étroite en haut et plus elle possédera tessiture importante pouvant aller jusqu’à 3 octaves et demi.
Une manette d’inflexion, non indispensable, facilite grandement la torsion de la lame.
Le poids du bras, plus ou moins fort, sur la manette d’inflexion suffit à imposer la torsion de la lame et influe alors sur la précision de la note que l’on veut obtenir.
Enfin la crosse permet de maintenir la scie entre les jambes.
Présentation de l’archet
L’archet est un archet de violon ou de violoncelle pas trop grand (3/4 si possible).Un archet est une baguette en bois (du pernambouc).
Aussi nommé Bois du Brésil , le pernambouc est un bois dont la densité exceptionnelle, la densité et l’élasticité étonnantes, permettent de fabriquer des archets de violon d’une qualité inégalée jusqu’alors. Même si aujourd’hui mois de 10% des archets sont réalisés à partir de pernambouc, le bois reste prisé, et donc cher, ce qui n’est pas sans conséquence sur la forêt.
Il faut que la baguette ait une bonne élasticité; on en trouve également en fibre de carbone.
La mèche est faite de crin de cheval (l’étalon parce qu’il est de meilleure qualité car non arrosé par l’urine de la jument).
Un mécanisme permet de tendre la mèche.
Quelques morceaux célèbres joués à la scie musicale
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Hymne à la joie
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Ave Maria de Schubert
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Ave Maria de Gounod
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Jeux interdits
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Prendre un enfant par la main
RemarquesNous avons établi pour chacune des parties plates isolées autour du point d’inflexion de la lame les largeurs et les fréquences émises:
Ces données peuvent être modélisées suivant la loi:
où N est la fréquence émise par la lame, e l’épaisseur de la lame et l la longueur de la lame
on trouve K.e=6483044
RéférencesMercadier : Sur les lois des vibrations des lames élastiques