Suoni nell´orecchio

In questo articolo presentiamo gli esperimenti del video “Suoni nell’orecchio”. Li inquadriamo nella storia della scienza con una particolare attenzione alla didattica.
È naturale che il tema dell’orecchio, dell’ascolto, abbia una particolare rilevanza nell’insegnamento. Ma è altrettanto rilevante, e interessante, il ruolo che la musica ebbe come compagna di strada della scienza.

Le prime illustrazioni di ciò sono le strutture architettoniche giunte a noi sin dall’antichità, pensate e costruite per ascoltare parole, voci e suoni. I teatri greci sui fianchi delle colline, dove ancora oggi è possibile sentire dai gradini più alti il rumore di un sassolino che cade nell’orchestra. Le absidi delle chiese medievali, che fanno propagare le voci dei cantori per tutta la chiesa.
Lo studio dell’acustica ha portato anche alla costruzione di strutture come le “gallerie bisbiglianti” che trasportano i sussurri da un ascoltatore ad un altro, lontano. Esempi sono il soffitto ellittico di Athanasius Kircher, la galleria bisbigliante in St. Paul a Londra, o la stazione di Grand Central a New York.
 

La “scienza nuova”, la fisica, che nasce nel Seicento dalla penna di Galileo, ha un profondo legame con la musica. Galileo è figlio di un teorico musicale, Vincenzo, e da ragazzo ha accompagnato il padre in esperimenti sulle note musicali. Lo storico della scienza Stillman Drake ha dedicato diversi studi al legame tra la nuova scienza sperimentale e la musica [per un approfondimento su questo tema, vedi la scheda didattica per la scuola secondaria di 1° grado allegata].

Galileo stesso suona molto bene il liuto e dedica diverse pagine dei Discorsi al suono e all’orecchio, riproposte nell’antologia [far sonare il bicchiere].  I tre personaggi dei Discorsi sembrano costruire a poco a poco un piccolo museo scientifico, in cui eseguono esperimenti e osservazioni, facendo oscillare pendoli, suonando cetre le cui corde vibrano per risonanza, facendo vibrare bicchieri immersi nell’acqua o lastre su cui la polvere di ferro si dispone in figure regolari, contando quasi le vibrazioni che colpiscono l’orecchio.
L’entusiasmo di Galileo per questi temi è evidente nel commento del personaggio di Salviati all’esperimento che rende visibili le onde sonore facendo increspare l’acqua, e come esse raddoppiano quando il suono cresce di un’ottava

Bellissima osservazione per poter distinguer ad una ad una le onde nate dal tremore del corpo che risuona, che son poi quelle che, diffuse per l’aria, vanno a far la titillazione su ‘l timpano del nostro orecchio, la quale nell’anima ci doventa suono.

Nella prima parte del video, l’esperimento del bicchiere vibrante è reinventato-modificato in modo semplice con un diapason vibrante. E così pure, nella seconda parte del video, gli strumenti musicali sono reinventati costruendo monocordi e cetre con scatole di cartone e palloncini attorcigliati, e strumenti a fiato con tubi di PVC, cannucce e sacchetti di plastica.
 

Il tema del suono, come si vede già in queste prime battute, è un tema molto vasto e davvero interdisciplinare. Nel seicento, anche gli esperimenti di Robert Hooke costuituiscono per molti versi un piccolo museo, una “camera delle meraviglie”: il conteggio delle vibrazioni dai rumori delle ruote dentate, il ronzio nel volo degli insetti (che Hooke quantificò nell’ordine di 1000 battiti d’ala al secondo), lo studio della natura elastica dell’aria che trasporta le vibrazioni, la costruzione di gallerie bisbiglianti,  l’invenzione di un megafono e di una specie di stetoscopio.

Con Galileo e Hooke abbiamo un’immagine della fisica che non è sbilanciata nel suo rapporto privilegiato con la matematica, ma ci si presenta piuttosto come scienza universale, che fornisce fondamenta allo studio del moto e dei fluidi, del corpo umano e della microscopia, della musica e dell’architettura. È una visione unificante particolarmente indicata per la scuola secondaria di 1° grado, come mostrato nella scheda didattica allegata [LINK].

Il telefono senza fili

La terza e quarta parte del video sono dedicate al “telefono senza fili”: al suo funzionamento, agli esperimenti che permette di svolgere, alle scoperte cui introduce.
Questo gioco di una volta funziona solo se il filo è teso, è possibile trasmetterci il suono del diapason come le parole, si riesce a riconoscere la voce, è possibile addirittura ascoltare quello che si dicono due persone mordendo lo spago teso e tappandosi le orecchie. Mentre non si sente bene se si impedisce di vibrare al fondo dei barattoli, per esempio.
Inoltre, il telefono senza fili è un ottimo modello per introdurre l’anatomia e la fisiologia dell’orecchio. La scheda didattica per la scuola primaria è dedicata a questi temi [LINK].

L’anatomia dell’orecchio

Le onde nate dal tremore del corpo che risuona, per dirla con Galileo, si diffondono nell’aria. Si tratta di onde in cui l’aria, elastica, si comprime e si rarefà. Queste onde entrano per il padiglione auricolare, percorrono il condotto uditivo, e giungono alla membrana del Timpano. La membrana viene spinta da queste onde.
Queste vibrazioni sono invisibili ai nostri occhi. Il grande studioso dell’orecchio Georg Bekesy avrebbe stabilito che l’orecchio è sensibile a suoni che spingono la membrana muovendola di una distanza dell’ordine di un atomo di idrogeno!
Le vibrazioni vengono trasmesse dal timpano a una serie di Ossicini (martello, incudine e staffa) che trasmettono la vibrazione a una struttura a forma di conchiglia detta Coclea.
Il telefono senza fili è un modello di ciò: il primo barattolo rappresenta il padiglione auricolare col condotto uditivo e la membrana del timpano. Lo spago teso rappresenta gli ossicini. Il barattolo dove si riceve il suono rappresenta la coclea.

L’anatomia della coclea fu chiarita nel 1851 dallo studioso italiano Alfonso Corti. Si tratta di una struttura che ricorda una scala a chiocciola, si tratta anzi di due scale attorcigliate (la scala vestibuli e la scala tympani in figura). Le due scale sono separate dalla membrana basilare – l’Organo del Corti – dove sono situati i recettori nervosi.

I nomi delle formazioni cocleari scoperte dal Corti – i pilastri, la galleria, le arcate... – ci fanno pensare alle “gallerie bisbiglianti” nei disegni del seicento. Ma in questo caso, i suoni che si propagano nelle gallerie mettono in vibrazione la membrana basilare – l’Organo del Corti – questo strano tappeto di cellule, e lo fanno vibrare selettivamente, a seconda della nota, in un luogo oppure in un altro. Corti, intuendo la fisiologia studiando l’anatomia, paragonò questa membrana a una serie di corde di pianoforte.

Il Corti ipotizzò ingegnosamente, “per far agire anche un po’ l’immaginazione oltre che la pazienza”, come le vibrazioni sonore possano mettere selettivamente in movimento le varie parti dell’organo spirale ed agire secondo le leggi della fisica sui recettori nervosi. Il Corti paragonò il congegno trovato nel dotto cocleare ad una serie di corde di pianoforte, disposte in modo parallelo, molto vicine l’una all’altra e saldate insieme. Proprio sulle idee espresse nelle note della monografia del Corti sarà fondata la teoria di Helmholtz che spiega la funzione dell’organo spirale mediante il fenomeno di risonanza acustica.
(Per approfondimenti si veda la voce Alfonso Corti di Mirko D. Grmek in Dizionario Biografico degli Italiani (Treccani, 1983) -  LINK )

La fisiologia dell’orecchio

Il modello del telefono senza fili illustra anche la fisiologia dell’orecchio, in esso le vibrazioni si trasmettono veramente.
Nella quinta parte del video, si costruisce un tubicino vibrante per far passare attraverso il telefono senza fili la musica della radio, dei CD, di quello che si preferisce. Noi abbiamo ascoltato “Alaska” dei Facciascura. Far passare la musica dà un’effetto sorpresa, per la ricchezza e la bellezza dei suoni trasmessi, ed è un passo didattico davvero importante. Dopotutto, l’orecchio serve per questo.

A questo esperimento abbiamo legato il nome di Georg Bekesy, il pioniere degli studi sulla Coclea nel Novecento. Fu insignito del premio Nobel per i suoi studi che chiarirono il funzionamento della membrana basilare, da lui paragonata a un “analizzatore di frequenze”.

Anche Bekesy ci porta in una specie di museo, tutto gli serve per capire la fisiologia della membrana basilare: i pendoli, le dissezioni delle orecchie di vari animali, la nascente elettronica, la costruzione di microscopi speciali, l’uso dei coloranti e perfino degli stroboscopi per visualizzare le vibrazioni. Perfino la polvere d’argento depositata sulla membrana, che si dispone in figure regolari come negli esperimenti di Galileo.

Bekesy costruirà anche un modello meccanico della coclea, un vero e proprio tubo vibrante, in cui il ruolo di “membrana vibrante” o “analizzatore di frequenze” è dato dal braccio dello sperimentatore che lo appoggia al tubo. A seconda della frequenza, viene messo in vibrazione un luogo specifico, vicino al polso, o al gomito, eccetera.

La ricerca, naturalmente, continua ad andare avanti (un esempio è il ruolo della coclea come vero e proprio amplificatore del suono) ma gli studi di von Bekesy possono costituire un buon punto d’appoggio. (Per approfondimenti si veda un numero speciale di Hearing Research, “Good Vibrations” (Novembre 2012), per celebrare i 50 anni del Nobel a von Bekesy -  LINK)

Con il “tubicino vibrante” collegato allo stereo o alla radio è possibile fare un curioso esperimento, diffuso in molti musei scientifici. È quello di mordere un oggetto vibrante e sentirne il suono senza passare per il timpano, ma mettendo in vibrazione direttamente la coclea facendo vibrare tutta la struttura ossea del cranio.

È un po’ l’esperimento che faceva Beethoven quando, diventando sordo, chiamava il trombettista e mordeva la sua tromba per sentire la musica.