Trabajos premiados en el VIII Congreso Regional Investigadores Junior CMN-CARM (Curso 2016-2017)
2. Modalidad de comunicación oral-trabajo escrito

Accésit

CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
IES FRANCISCO ROS GINER - LORCA
Cimática, visualizando el sonido
Blanca Sánchez Ayala


1. Introducción

La cimática es la ciencia que estudia la representación gráfica del sonido y surgió al otorgarle un significado creador al sonido. Los campos en los que se incluye esta investigación son fundamentalmente: la física, por su demostración empírica y más concretamente, la acústica, que estudia el sonido y las ondas y frecuencias del mismo; el arte, ya que los resultados plasmados son considerados obras artísticas que pueden obtenerse a partir de la música, y la filosofía, debido a que constituye el origen de esta novedosa ciencia.

La cimática es una ciencia muy reciente, se originó en 1950 con Hans Jenny. Sin embargo, se conoce que ya Da Vinci, Galileo y Robert Hooke realizaron observaciones sobre resonancia, mas sólo este último las registró. No fue hasta finales del siglo XVIII cuando Ernst Florens Chladni investigó lo recopilado por su predecesor y experimentó por su cuenta creando las ‘figuras Chladni’. Sus estudios quedaron recogidos en 1804 con “Traitéd’acoustique”. Justamente un siglo después, se publicó “The Eidophonevoice figures” por Margaret Watts, soprano que experimentó con su voz sobre su propio invento original, el Eidophone.

Conociendo dichas obras, podemos volver a situarnos a mediados del siglo XX cuando surge nuestro objeto de estudio en sí mismo con Hans Jenny, cuyos descubrimientos han quedado recogidos en una edición única, “Cymatics” editada en 2001.

Cabe destacar la actual relevancia de John Stuart Reid, que ha desarrollado el primer instrumento científico capaz de otorgar una imagen visual al sonido, el Cymascope. El británico comenzó explicando sus descubrimientos por medio de ponencias en Youtube. En 2008, formalizó su propia página web y a día de hoy, dirige la primera y única escuela de cimática a escala mundial en Inglaterra junto con una escuela virtual.

Esta novedosa ciencia llega cada vez a un mayor número de personas gracias a los medios audiovisuales. Por ello, muchos jóvenes interesados han llevado a cabo su tesis universitaria sobre la misma. Sobresalen algunos vídeos como el expuesto en el programa de antena 3, El Hormiguero. Nuestro campo permanece en una constante expansión en el presente.

2. Objetivos

Los objetivos que engloba nuestro trabajo quedan recogidos en los siguientes puntos:

  1. Definir el concepto de cimática y hacer un recorrido histórico desde su origen hasta la actualidad.
  2. Analizar las figuras cimáticas de algunas notas musicales con la finalidad de determinar sus diferentes patrones geométricos.
  3. Diseñar una aplicación para el teléfono móvil capaz de mostrar la figura cimática de más de una nota musical sonando al unísono.
  4. Estudiar físicamente el fenómeno cimático.
  5. Dominar los materiales adecuados para el acondicionamiento de un experimento cimático.
  6. Desarrollar un prototipo moderno del Eidophone para experimentar con las figuras cimáticas obtenidas directamente de la voz humana.

Nuestra investigación adoptará como base las hipótesis siguientes:

Nos plantearemos si es posible averiguar el patrón cimático de un acorde y si la ecuación de una onda tiene algún vínculo con su correspondiente dibujo cimático. También contrastaremos si se encuentra diferencia entre las figuras cimáticas producidas artificialmente y las obtenidas por la voz humana.

3. Metodología

Hemos empleado el método analítico descomponiendo las figuras cimáticas de 8 notas musicales en sus diferentes estructuras geométricas para así observarlas y establecer nuevas teorías empleando medios gráficos manuales. Con la ayuda del programa ‘Gimp’ superpondremos figuras cimáticas y quedarán recogidas en una aplicación móvil diseñada a través de ‘App inventor’. Además emplearemos diferentes materiales para la construcción de un prototipo del Eidophone de Margaret Watts.

3.1 Análisis geométrico de figuras cimáticas

Al descomponer las figuras cimáticas de notas musicales hemos observado que todas se forman siguiendo una simetría radial variando el número de ejes de simetría entre 10 y 28.

Aquí mostramos únicamente los resultados obtenidos tras el análisis de la nota musical ‘FA’ (Ver figuras 1 y 2): presenta un entramado de circunferencias secantes, rodeadas de pequeños óvalos y circunferencias enlazados. En torno a lo anteriormente citado se producen unas formas onduladas con enlaces dispuestas creando una figura radial de 16 ejes de simetría. En la parte más externa volvemos a ver arcos de circunferencias con el centro fuera de la figura.

Figura 1.

Figura 1

Fuente: App móvil CymaScope

Figura 2.

Figura 2

Fuente: Elaboración propia

3.2 Diseño de la aplicación móvil ‘CYMATICS’

El diseño de la aplicación a la que hemos otorgado el nombre de CYMATICS nos ha permitido lograr figuras cimáticas de todas las combinaciones diferentes posibles entre las siete notas musicales.Aquí podemos observar el menú principal de la aplicación:

Figura 3.

Figura 3

Fuente: Elaboración propia

Haciendo clic sobre las teclas se observa el dibujo cimático de cada una de las notas en singular. No obstante, manteniendo pulsadas las diferentes teclas podremos conseguir múltiples combinaciones además de escuchar su sonido. Además, es posible escuchar el sonido de cuantas notas seleccionemos a la vez.

Podemos ver ejemplos de lo que resultaría tras combinar 2 (Ver figura 4), 3 (Ver figura 5) 4, 5, 6 y hasta las 7 notas musicales en su totalidad. (Ver figuras 6, 7, 8 y 9).

Figura 4.

Figura 4

Figura 5.

Figura 5

Figura 6.

Figura 6

Figura 7.

Figura 7

Figura 8.

Figura 8

Figura 9.

Figura 9

Fuente: Elaboración propia

3.3 Desarrollo de un Eidophone

Retomando el tema de la construcción de un prototipo del Eidophone podemos decir que su elaboración resultó muy sencilla. Tan solo tuvimos que recortar en las macetas un agujero por el que introducir la alargadera y una vez introducida sellar dicha abertura con silicona para reducir la pérdida de aire. Después, cubrimos la maceta con papel transparente, tensándolo lo máximo posible a modo de membrana y sujetándolo con cello.

Tras probar los experimentos espolvoreando diferentes sustancias sobre la membrana nos decantamos por el pimentón y la sal (coloreada o no).

Realizamos los experimentos con una soprano, una contralto, un tenor y un bajo pero las sustancias espolvoreadas se pusieron en movimiento a partir de la nota fa; por ello solo vemos reflejados los experimentos realizados con dos sopranos Miriam Silva (Ver figuras 10 y 11) y Cati Ayala (Ver figuras 12 y 13).

Podemos observar que, cuanto más agudos son los sonidos, más complejas son las figuras obtenidas.

Figura 10.

Figura 10

Figura 11.

Figura 11

Figura 12.

Figura 12

Figura 13.

Figura 13

Fuente: Elaboración propia

4. Conclusiones

  1. El concepto de cimática ha quedado definido como el estudio de la representación gráfica del sonido. También hemos registrado cronológicamente cualquier indicio de cimática a lo largo de la historia pudiendo concluir que esta ciencia, calificada como novedosa, no lo es en absoluto.
  2. Hemos realizado un análisis gráfico de los patrones que constituyen individualmente las principales notas musicales. Este ha sido un análisis personal, ya que nos hemos basado en figuras cimáticas obtenidas sobre la tensión superficial del agua y por ello están siempre en constante movimiento. El pasar de una figura orgánica a una geométrica, hace que los resultados no sean demasiado precisos y puedan variar al tener una interpretación subjetiva. En cuanto a nuestro análisis podemos concluir que:
    • Todas las figuras presentan simetría radial.
    • Las formas que caracterizan a cada figura se forman en torno a ejes de simetría. Estos ejes varían en número de un dibujo a otro.
    • Todos los patrones analizados presentan circunferencias concéntricas.
    • Predomina la aparición de circunferencias secantes y tangentes, arcos de circunferencia y enlaces.
    • Otros recursos utilizados han sido: formas lobuladas, ovoidales y óvalos.
  3. Ha sido posible crear una App móvil haciendo uso de la plataforma digital App inventor. Sin embargo, esta plataforma solo permite el diseño de una app inferior a 10MB.
  4. Los aspectos concluyentes tras el estudiar físicamente el fenómeno cimático permiten exponer lo siguiente:
    • El sonido más que propagarse en forma de ondas longitudinales, lo hace de manera esférica, con movimientos sinusoidales y esquivando las colisiones atómicas mediante la difracción.
    • Su forma de expansión esférica es comparable a una burbuja de sonido que se expande y se contrae con idénticas periodicidades.
    • Las figuras cimáticas nos desvelan muestras analógicas de las periodicidades del sonido.
    • El sonido es holográfico.
    • En sonidos superiores a 20 KHz, la difracción y la esfericidad tienden a disminuir, aunque también se produce un mayor número de colisiones atómicas.
  5. Estudiando los diferentes tipos de acomodación de experimentos cimáticos hemos obtenido las siguientes conclusiones:
    • Las vibraciones deben transmitirse en el punto central de la plancha.
    • Es aconsejable establecer un patrón de salto de frecuencias fijo.
    • El material de la placa influye en la velocidad de propagación de las ondas sonoras, según el índice de resonancia del material.
    • Las placas rectangulares muestran mejor el paso de las vibraciones de un lado a otro de esta.
    • En las placas circulares es frecuente la aparición de círculos concéntricos.
    • Sobre una placa cuadrada, las figuras de las líneas nodales están alineadas a la plancha según la gravedad y la altura.
  6. Hemos creado un prototipo simplificado del Eidophone de Margaret Watts y podemos observar algunos de los resultados en el Apéndice.
  7. Como nos planteábamos en nuestra primera hipótesis podemos concluir que sí que ha sido posible averiguar el patrón cimático de un acorde, tanto geométricamente, porque solo tendríamos que superponer las formas obtenidas sobre acetato, como gráficamente. Esto último ha quedado expuesto en nuestra app móvil.
  8. Ha sido imposible establecer un vínculo entre los dibujos cimáticos y su correspondiente ecuación de onda, porque tampoco ha sido posible el cálculo de dichas ecuaciones debido a mi limitado conocimiento sobre este tema.
  9. Se ha llevado a cabo una comparación entre las figuras obtenidas con nuestro prototipo del Eidophone y las obtenidas por Ferrán Lega Lladós expuestas en el anexo de su tesis La Cimática como herramienta de expresión artística. Esta comparación establece que las creaciones resultantes a través de la voz humana son mucho más variables y susceptibles a la voz personal de quien las produce, mientras que las artificiales se mantienen constantes.
  10. Existen diferentes posibles continuaciones de este trabajo según el campo en el que deseemos centrarnos:
    • Astrofísica: Existen hipótesis sobre la formación de nubes hexagonales gigantes en Saturno como geometría cimática creada por frecuencias extremadamente bajas. Además, se ha obtenido la representación gráfica del sonido producido por estrellas, nebulosas y galaxias.
    • Biología: Se plantea como modelo creador de la vida, ya que se ha encontrado semejanza entre figuras cimáticas y estrellas de mar, margaritas, trilobites, virus…
    • Oceanografía: Ayuda a comprender el idioma de los delfines según cómo ven el sonido.
    • Ornitología: Para estudiar los cantos de los pájaros.
    • Fonología, zoología, egiptología, microcimática así como física y musicología, en los que se ha centrado nuestro trabajo, son otros campos en los que se está aplicando en mayor o menor medida la cimática. Por ejemplo, se están realizando experimentos cimáticos sobre madera para mejorar el sonido en la construcción de guitarras y personalmente, creo que esta técnica se podría ampliar para la construcción de otros instrumentos. Con la incorporación de la cimática en el sistema de educación, todas las personas con incapacidad auditiva tendrían la posibilidad de observar el sonido pese a no poder escucharlo. Incluso podrían así animarse a estudiar música y ver que su discapacidad no supone ningún impedimento. Además, este fenómeno ya ha sido usado como terapia en niños con cáncer y tuvo un efecto muy positivo.

5. Bibliografía

Entre la bibliografía empleada en la realización de nuestro trabajo. Nos gustaría destacar la página web www.cymascope.com por sus amplios contenidos sobre el tema y la tesis de Ferrán Lega Lladós por la multitud de experimentos cimáticos que contiene.

Chladni (1809). Traité d’acoustique. Paris, Cher Courcier.

Hans Jenny (1967). The structure and dynamics of waves and vibrations. Volume 1. Suiza, Sri Gary Olsen.

Hans Jenny (1974). Wave phenomena, vibrational effects and harmonic oscillations with their structure, kinetics and dynamics. Volume 2. Suiza, Sri Gary Olsen.

John Stuart Reid. [CymaScope] (10/05/2007). The shape of sound featuring John Stuart Reid. https://www.youtube.com/watch?v=GlkIxpuF43o

John Stuart Reid, (2015). Cymascope. Obtenido el 29 de noviembre de 2016, de http://www.cymascope.com/

Lega Lladós, Ferrán. (2014). La Cimática como herramienta de expresión artística. Universitat de Barcelona. Departament d’Escultura. Anexo. http://hdl.handle.net/10803/146136

Lega Lladós, F. (2015). Creación sonora sobre fluidos. Barcelona, Research, Art, Creation, 3(2), 122-158. doi: 10.17583/brac.2015.1390

Margaret Watts. Hughes’s Voice-Figures – MIT. SINGING IN CHLADNI’S GARDEN. Part One: Voice-Figures 10/03/2014.

Ramírez Burillo, P. (1986). Dibujo técnico y diseño artístico. Madrid: Santillana.



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