Ak sa ľudia dostanú k balónikom naplneným héliom, občas sa zabávajú tým, že hélium z balónika vdýchnu, a potom začnú rozprávať. Zábavný je na tom hlas, ktorý vydávajú. Je neprirodzene vysoký a smiešny. Prečo je to tak?
O vedcoch majú ľudia často predstavu, že to sú tí, ktorí vedia. Osobne si však myslím, že skutočného vedca necharakterizuje ani tak to, že vie, ako skôr to, že vie, čo robiť, keď nevie. Bohužiaľ, túto vlastnosť vedcov máme možnosť vidieť len málokedy. Po prvé preto, lebo mnohí z nich neradi priznávajú, že niečo nevedia, a po druhé preto, lebo pre amatéra je väčšinou ťažké sledovať, ako sa u profesionála mení neporozumenie na porozumenie.
Aká je teda šanca, že sa na niečo spýtate dvoch rôznych ľudí a oni vás obaja nechajú nazrieť do toho, ako niečo postupne pochopia? A to dokonca tak, že to pochopíte aj vy. A aká je šanca, že pritom ešte dokážu na veľmi malom priestore krištáľovo jasne ilustrovať dva základné vedecké prístupy – teoretický a experimentálny. Podľa mňa takmer nulová. Jedine, že by išlo o otázku „héliového hlásočka“ a spýtali by ste sa na to fyzikov Vlada Černého a Bohumila Bohunického.
O hlásočku s teoretikom Vladimírom Černým
.prečo znie hlas človeka, ktorý sa nadýchol hélia, tak neprirodzene vysoko?
Ja s týmto javom nemám osobnú skúsenosť, ale videl som to v televízii a myslím, že vysvetlenie je vcelku jednoduché. Rýchlosť zvuku v héliu je vyššia ako vo vzduchu, a to sa prejaví na rezonančných frekvenciách ústnej dutiny. Vyššia rýchlosť zvuku znamená vyššie rezonančné frekvencie, a preto sa celý hlas posúva do vyšších polôh.
.čo sú rezonančné frekvencie a prečo závisia od rýchlosti zvuku?
Predstavme si organ. Jednotlivé píšťaly majú rôzne veľkosti a vychádzajú z nich tóny rôznej výšky. V konkrétnej píšťale sa totiž dobre darí iba zvuku istej vlnovej dĺžky, ktorej sa hovorí rezonančná a ktorá je úmerná dĺžke píšťaly – čím dlhšia píšťala, tým väčšia rezonančná vlnová dĺžka. Pre vnímanie zvuku uchom však nie je dôležitá vlnová dĺžka, ale frekvencia. Vlnovú dĺžku meriame v metroch, frekvenciu v kmitoch za sekundu, prekladovým slovníkom medzi nimi je práve rýchlosť zvuku. Ak by sme hrali na organ v miestnosti plnej hélia, boli by rezonančné vlnové dĺžky rovnaké ako v normálnom prípade, ale rezonančné frekvencie by boli asi o oktávu vyššie. V héliu by teda celá hudba znela zhruba o oktávu vyššie.
.na internete sa dá nájsť iné vysvetlenie, podľa ktorého je vyššie znejúci hlas v héliu dôsledkom toho, že hlasivky kmitajú v héliu rýchlejšie ako vo vzduchu...
Aha, tak to mi nenapadlo, musím o tom porozmýšľať. (Dlhá pauza. Zhruba 24-hodinová.)
No, tak som sa na to pozrel a zistil som, že po internete sa moce niekoľko rôznych vysvetlení, z ktorých niektoré sú evidentne úplne zlé, ale tri rôzne vysvetlenia vyzerajú celkom rozumne. Čiže sa treba rozhodnúť, ktoré z nich je naozaj správne. A keďže kvalitatívne vyzerajú všetky tri rovnako zmysluplne, človek musí urobiť nejaké číselné odhady, aby zistil, do akej miery tie vysvetlenia sedia aj kvantitatívne.
.napríklad?
Tak vezmime si napríklad tú možnosť, že hlasivky kmitajú inak v héliu a inak vo vzduchu. To je v princípe možné, pretože tie dva plyny môžu mať napríklad inú viskozitu, čo by sa mohlo prejaviť na frekvencii hlasiviek. Hélium sa však od vzduchu líši jednak hmotnosťou a jednak veľkosťou, a tieto dve veličiny vstupujú do vzorca pre viskozitu plynu tak, že tie rozdiely sa vyrušia. Vzorec hovorí, že číselne by mali byť viskozity plynného hélia a vzduchu skoro rovnaké. A keď sa človek pozrie do tabuliek, tak zistí, že je to naozaj tak. Z toho usudzujem, že rozdiel vo frekvencii kmitania hlasiviek v héliu a vo vzduchu je len minimálny a nijako nevysvetľuje, prečo s héliom rozprávame ako trpaslík do plechovky.
.takže správne je to vysvetlenie s rezonančnými frekvenciami?
No práveže nie celkom. Pôvodne som si myslel, že hlasivky nevydávajú konkrétny tón, ale akúsi zmes všetkých tónov, z ktorých rezonátor zosilní len niektoré, a tie potom počujeme. Lenže čísla ukazujú, že ani takto to byť nemôže. Rozmer zvukových ciest od hrdla po nosovú dutinu je na úrovni 15 centimetrov, čomu vo vzduchu zodpovedá rezonančná frekvencia okolo 500 hertzov. Lenže základná frekvencia mužského hlasu je niekde na úrovni 100 až 120 hertzov. Inými slovami, ľudský hlas obsahuje frekvencie, ktoré nepochádzajú z rezonátorov. Jediným zdrojom týchto frekvencií môžu byť hlasivky.
.čiže ako to vlastne je?
Teraz si myslím, že hlasivky vydávajú najmä jeden konkrétny tón a okrem toho akúsi prímes vyšších tónov, z ktorých niektoré sú zosilnené rezonátormi v ústnej dutine. Tým sa mení farba hlasu, ale nie jeho základný tón. A teraz čo sa stane v héliu. Základný tón sa nezmení, ale rezonátory sa preladia na vyššie frekvencie, čo sa prejaví na farbe hlasu. Keď som to počul prvý raz, tak som to vlastne počul zle. Zdalo sa mi, že celý hlas je posunutý vyššie. Teraz som presvedčený, že v skutočnosti sa výška hlasu nemení, len je inak zafarbený.
.to teoretický fyzik natoľko verí svojim výpočtom a odhadom, že prestane veriť svojim zmyslom?
Isteže nie. Nakoniec sa vráti k experimentu, aby zistil, či sú jeho závery správne. Ja som experimenty nerobil, ale našiel som internetovú stránku, kde sú krátke nahrávky, ktoré jasne vyvracajú môj pôvodný pohľad a potvrdzujú ten pre mňa nový pohľad. Stránka sa volá http://phys.unsw.edu.au/phys_about/PHYSICS!/SPEECH_HELIUM/speech.html. Oplatí sa to vypočuť.
O hlásočku s experimentátorom Bohumilom Bohunickým
.prečo znie hlas človeka, ktorý sa nadýchol hélia, tak neprirodzene vysoko?
Fíha, tak to vlastne neviem. Ale je to zaujímavá otázka. Mohlo by to byť pre zmenu rezonančných frekvencií alebo pre zmenu frekvencie hlasiviek. Viete čo, ja sa pokúsim zohnať nejaké hélium a premerať to. Bez toho sa neodvážim nič tvrdiť. (Dlhá pauza. Niekoľkodňová.)
.takže prečo má človek s héliom vyšší hlas?
Nemá vyšší hlas, má zmenenú farbu hlasu. Hlas je tvorený chvením hlasiviek, tým získava svoju základnú výšku. Ale farbu a artikuláciu získava hlas rezonanciou v rôznych dutinách, ktoré človek vedome alebo nevedome ovláda. Hlasivky totiž neprodukujú len základný tón, ale okrem neho aj celé spektrum vyšších tónov. A z tohto spektra sa v dutinách vyplnených vzduchom zosilnia nejaké frekvencie a v dutinách vyplnených héliom iné – vyššie – frekvencie. Tieto iné frekvencie menia náš pocit z toho, aký hlas počujeme, ale nemenia základný tón.
.to hovoríte na základe toho, čo ste zmerali?
Áno, základná frekvencia reči, ktorú som nameral, bola niekde od 100 do 300 hertzov a nezávisela od toho, či testovaná osoba rozprávala vo vzduchu alebo v héliu. Obidva grafy boli prakticky rovnaké. Hlasivky kmitajú v obidvoch prípadoch s rovnakou frekvenciou, celý efekt je výsledkom práve tých vyšších frekvencií, ktoré určujú farbu a artikuláciu.
.to ste ako odmerali?
Jednak tak, že okrem hlasu som skúšal aj to, ako sa zmení tón trúbky. Mal som takúto jednoduchú trúbku (berie asi meter dlhú rovnú kartónovú trúbku a zahrá na nej tri čisté tóny), ktorá je tiež akýmsi rezonátorom. Keď som na nej zahral po vdýchnutí hélia, tak sa to posunulo niekde úplne inde, vyššie, pričom sa však intervaly zachovali, kvarta zostala kvartou. No a okrem toho som nahraný héliový hlas pomocou špeciálneho softvéru upravil tak, že som zmenil rezonančné frekvencie, ale ponechal základnú frekvenciu. A pomerne jednoducho som dostal pôvodný hlas, tak ako znie vo vzduchu.
.to sa dá takto softvérovo meniť hlas?
Áno a robí sa to už dlho. Voľakedy sa hlas moduloval tak, že sa zrýchlil, čím sa zmenila aj základná výška hlasu aj tie rezonančné frekvencie, ktorým sa hovorí formanty. Neskôr dokázali digitálne techniky rozbiť hlas na zložku výšky a zložku artikulácie a odvtedy sa tým dajú robiť divy. Prvý raz sa to profesionálne použilo u Cher v skladbe Believe, kde jej v refrénoch znel hlas voľajako čudne, takže ľudia ponechali tú artikulačnú zložku, ale syntetizátorom vnútili na výstupe trochu inú výšku tónu. Inak s takým softvérom sa dá celkom pekne hrať. Ja som si napríklad robil analýzu Lasicovho hlasu a jeho zmien počas tých zhruba 40 rokov, čo existujú verejné nahrávky. Tam je jasne vidieť, že základná frekvencia hlasiviek s vekom klesá, takže hlas sa stáva hlbším, ale formanty sa nemenia, takže farba hlasu je stále tá istá, stále je to Lasica.
.a keby rozprával s héliom, tak by sa naopak nemenila výška, ale menila farba hlasu?
Áno, ak softvérovo zvyšujeme základnú frekvenciu hlasiviek, ale nemeníme rezonančné frekvencie, znie Lasica čoraz mladšie. Ak softvérovo zvyšujeme rezonančné frekvencie a nemeníme základnú frekvenciu, znie Lasica čoraz viac ako káčer Donald. A presne to isté by dosiahol, keby rozprával s héliom. Ale neodporúčal by som mu to.
.prečo? Veď on má srandu rád...
Pretože čo sa bezpečnosti týka, tak je to poriadne svinstvo. Keď sa človek predýcha héliom, tak nemá v pľúcach oxid uhličitý, ktorý tam spôsobuje bolesť. S héliom sa pľúca cítia v pohode, lenže po chvíli sa človeku začne točiť hlava a stráca vedomie, pretože sa v skutočnosti dusí. To sme fakt zažili a nebolo nám všetko jedno. Po štyroch poriadnych nádychoch sa nám tak krútila hlava, že sme chvíľku nevideli.
.čiže ak človek minútu-dve dýcha hélium, je to, ako keby bol takýto čas pod vodou?
Nie, to je oveľa horšie. Ak sa ponoríte na takýto čas pod vodu, ak sa na začiatku poriadne nadýchnete, máte teda plné pľúca čerstvého vzduchu s množstvom kyslíka. Ale ak máte plné pľúca hélia, tak tam celý ten čas nemáte vôbec nijaký kyslík. Takže sa už reálne dusíte hneď od začiatku. A pľúca vám to nijako nesignalizujú, to je tá najväčšia zrada. Takže naozaj odporúčam – radšej neblbnúť.
.martin Mojžiš
O vedcoch majú ľudia často predstavu, že to sú tí, ktorí vedia. Osobne si však myslím, že skutočného vedca necharakterizuje ani tak to, že vie, ako skôr to, že vie, čo robiť, keď nevie. Bohužiaľ, túto vlastnosť vedcov máme možnosť vidieť len málokedy. Po prvé preto, lebo mnohí z nich neradi priznávajú, že niečo nevedia, a po druhé preto, lebo pre amatéra je väčšinou ťažké sledovať, ako sa u profesionála mení neporozumenie na porozumenie.
Aká je teda šanca, že sa na niečo spýtate dvoch rôznych ľudí a oni vás obaja nechajú nazrieť do toho, ako niečo postupne pochopia? A to dokonca tak, že to pochopíte aj vy. A aká je šanca, že pritom ešte dokážu na veľmi malom priestore krištáľovo jasne ilustrovať dva základné vedecké prístupy – teoretický a experimentálny. Podľa mňa takmer nulová. Jedine, že by išlo o otázku „héliového hlásočka“ a spýtali by ste sa na to fyzikov Vlada Černého a Bohumila Bohunického.
O hlásočku s teoretikom Vladimírom Černým
.prečo znie hlas človeka, ktorý sa nadýchol hélia, tak neprirodzene vysoko?
Ja s týmto javom nemám osobnú skúsenosť, ale videl som to v televízii a myslím, že vysvetlenie je vcelku jednoduché. Rýchlosť zvuku v héliu je vyššia ako vo vzduchu, a to sa prejaví na rezonančných frekvenciách ústnej dutiny. Vyššia rýchlosť zvuku znamená vyššie rezonančné frekvencie, a preto sa celý hlas posúva do vyšších polôh.
.čo sú rezonančné frekvencie a prečo závisia od rýchlosti zvuku?
Predstavme si organ. Jednotlivé píšťaly majú rôzne veľkosti a vychádzajú z nich tóny rôznej výšky. V konkrétnej píšťale sa totiž dobre darí iba zvuku istej vlnovej dĺžky, ktorej sa hovorí rezonančná a ktorá je úmerná dĺžke píšťaly – čím dlhšia píšťala, tým väčšia rezonančná vlnová dĺžka. Pre vnímanie zvuku uchom však nie je dôležitá vlnová dĺžka, ale frekvencia. Vlnovú dĺžku meriame v metroch, frekvenciu v kmitoch za sekundu, prekladovým slovníkom medzi nimi je práve rýchlosť zvuku. Ak by sme hrali na organ v miestnosti plnej hélia, boli by rezonančné vlnové dĺžky rovnaké ako v normálnom prípade, ale rezonančné frekvencie by boli asi o oktávu vyššie. V héliu by teda celá hudba znela zhruba o oktávu vyššie.
.na internete sa dá nájsť iné vysvetlenie, podľa ktorého je vyššie znejúci hlas v héliu dôsledkom toho, že hlasivky kmitajú v héliu rýchlejšie ako vo vzduchu...
Aha, tak to mi nenapadlo, musím o tom porozmýšľať. (Dlhá pauza. Zhruba 24-hodinová.)
No, tak som sa na to pozrel a zistil som, že po internete sa moce niekoľko rôznych vysvetlení, z ktorých niektoré sú evidentne úplne zlé, ale tri rôzne vysvetlenia vyzerajú celkom rozumne. Čiže sa treba rozhodnúť, ktoré z nich je naozaj správne. A keďže kvalitatívne vyzerajú všetky tri rovnako zmysluplne, človek musí urobiť nejaké číselné odhady, aby zistil, do akej miery tie vysvetlenia sedia aj kvantitatívne.
.napríklad?
Tak vezmime si napríklad tú možnosť, že hlasivky kmitajú inak v héliu a inak vo vzduchu. To je v princípe možné, pretože tie dva plyny môžu mať napríklad inú viskozitu, čo by sa mohlo prejaviť na frekvencii hlasiviek. Hélium sa však od vzduchu líši jednak hmotnosťou a jednak veľkosťou, a tieto dve veličiny vstupujú do vzorca pre viskozitu plynu tak, že tie rozdiely sa vyrušia. Vzorec hovorí, že číselne by mali byť viskozity plynného hélia a vzduchu skoro rovnaké. A keď sa človek pozrie do tabuliek, tak zistí, že je to naozaj tak. Z toho usudzujem, že rozdiel vo frekvencii kmitania hlasiviek v héliu a vo vzduchu je len minimálny a nijako nevysvetľuje, prečo s héliom rozprávame ako trpaslík do plechovky.
.takže správne je to vysvetlenie s rezonančnými frekvenciami?
No práveže nie celkom. Pôvodne som si myslel, že hlasivky nevydávajú konkrétny tón, ale akúsi zmes všetkých tónov, z ktorých rezonátor zosilní len niektoré, a tie potom počujeme. Lenže čísla ukazujú, že ani takto to byť nemôže. Rozmer zvukových ciest od hrdla po nosovú dutinu je na úrovni 15 centimetrov, čomu vo vzduchu zodpovedá rezonančná frekvencia okolo 500 hertzov. Lenže základná frekvencia mužského hlasu je niekde na úrovni 100 až 120 hertzov. Inými slovami, ľudský hlas obsahuje frekvencie, ktoré nepochádzajú z rezonátorov. Jediným zdrojom týchto frekvencií môžu byť hlasivky.
.čiže ako to vlastne je?
Teraz si myslím, že hlasivky vydávajú najmä jeden konkrétny tón a okrem toho akúsi prímes vyšších tónov, z ktorých niektoré sú zosilnené rezonátormi v ústnej dutine. Tým sa mení farba hlasu, ale nie jeho základný tón. A teraz čo sa stane v héliu. Základný tón sa nezmení, ale rezonátory sa preladia na vyššie frekvencie, čo sa prejaví na farbe hlasu. Keď som to počul prvý raz, tak som to vlastne počul zle. Zdalo sa mi, že celý hlas je posunutý vyššie. Teraz som presvedčený, že v skutočnosti sa výška hlasu nemení, len je inak zafarbený.
.to teoretický fyzik natoľko verí svojim výpočtom a odhadom, že prestane veriť svojim zmyslom?
Isteže nie. Nakoniec sa vráti k experimentu, aby zistil, či sú jeho závery správne. Ja som experimenty nerobil, ale našiel som internetovú stránku, kde sú krátke nahrávky, ktoré jasne vyvracajú môj pôvodný pohľad a potvrdzujú ten pre mňa nový pohľad. Stránka sa volá http://phys.unsw.edu.au/phys_about/PHYSICS!/SPEECH_HELIUM/speech.html. Oplatí sa to vypočuť.
O hlásočku s experimentátorom Bohumilom Bohunickým
.prečo znie hlas človeka, ktorý sa nadýchol hélia, tak neprirodzene vysoko?
Fíha, tak to vlastne neviem. Ale je to zaujímavá otázka. Mohlo by to byť pre zmenu rezonančných frekvencií alebo pre zmenu frekvencie hlasiviek. Viete čo, ja sa pokúsim zohnať nejaké hélium a premerať to. Bez toho sa neodvážim nič tvrdiť. (Dlhá pauza. Niekoľkodňová.)
.takže prečo má človek s héliom vyšší hlas?
Nemá vyšší hlas, má zmenenú farbu hlasu. Hlas je tvorený chvením hlasiviek, tým získava svoju základnú výšku. Ale farbu a artikuláciu získava hlas rezonanciou v rôznych dutinách, ktoré človek vedome alebo nevedome ovláda. Hlasivky totiž neprodukujú len základný tón, ale okrem neho aj celé spektrum vyšších tónov. A z tohto spektra sa v dutinách vyplnených vzduchom zosilnia nejaké frekvencie a v dutinách vyplnených héliom iné – vyššie – frekvencie. Tieto iné frekvencie menia náš pocit z toho, aký hlas počujeme, ale nemenia základný tón.
.to hovoríte na základe toho, čo ste zmerali?
Áno, základná frekvencia reči, ktorú som nameral, bola niekde od 100 do 300 hertzov a nezávisela od toho, či testovaná osoba rozprávala vo vzduchu alebo v héliu. Obidva grafy boli prakticky rovnaké. Hlasivky kmitajú v obidvoch prípadoch s rovnakou frekvenciou, celý efekt je výsledkom práve tých vyšších frekvencií, ktoré určujú farbu a artikuláciu.
.to ste ako odmerali?
Jednak tak, že okrem hlasu som skúšal aj to, ako sa zmení tón trúbky. Mal som takúto jednoduchú trúbku (berie asi meter dlhú rovnú kartónovú trúbku a zahrá na nej tri čisté tóny), ktorá je tiež akýmsi rezonátorom. Keď som na nej zahral po vdýchnutí hélia, tak sa to posunulo niekde úplne inde, vyššie, pričom sa však intervaly zachovali, kvarta zostala kvartou. No a okrem toho som nahraný héliový hlas pomocou špeciálneho softvéru upravil tak, že som zmenil rezonančné frekvencie, ale ponechal základnú frekvenciu. A pomerne jednoducho som dostal pôvodný hlas, tak ako znie vo vzduchu.
.to sa dá takto softvérovo meniť hlas?
Áno a robí sa to už dlho. Voľakedy sa hlas moduloval tak, že sa zrýchlil, čím sa zmenila aj základná výška hlasu aj tie rezonančné frekvencie, ktorým sa hovorí formanty. Neskôr dokázali digitálne techniky rozbiť hlas na zložku výšky a zložku artikulácie a odvtedy sa tým dajú robiť divy. Prvý raz sa to profesionálne použilo u Cher v skladbe Believe, kde jej v refrénoch znel hlas voľajako čudne, takže ľudia ponechali tú artikulačnú zložku, ale syntetizátorom vnútili na výstupe trochu inú výšku tónu. Inak s takým softvérom sa dá celkom pekne hrať. Ja som si napríklad robil analýzu Lasicovho hlasu a jeho zmien počas tých zhruba 40 rokov, čo existujú verejné nahrávky. Tam je jasne vidieť, že základná frekvencia hlasiviek s vekom klesá, takže hlas sa stáva hlbším, ale formanty sa nemenia, takže farba hlasu je stále tá istá, stále je to Lasica.
.a keby rozprával s héliom, tak by sa naopak nemenila výška, ale menila farba hlasu?
Áno, ak softvérovo zvyšujeme základnú frekvenciu hlasiviek, ale nemeníme rezonančné frekvencie, znie Lasica čoraz mladšie. Ak softvérovo zvyšujeme rezonančné frekvencie a nemeníme základnú frekvenciu, znie Lasica čoraz viac ako káčer Donald. A presne to isté by dosiahol, keby rozprával s héliom. Ale neodporúčal by som mu to.
.prečo? Veď on má srandu rád...
Pretože čo sa bezpečnosti týka, tak je to poriadne svinstvo. Keď sa človek predýcha héliom, tak nemá v pľúcach oxid uhličitý, ktorý tam spôsobuje bolesť. S héliom sa pľúca cítia v pohode, lenže po chvíli sa človeku začne točiť hlava a stráca vedomie, pretože sa v skutočnosti dusí. To sme fakt zažili a nebolo nám všetko jedno. Po štyroch poriadnych nádychoch sa nám tak krútila hlava, že sme chvíľku nevideli.
.čiže ak človek minútu-dve dýcha hélium, je to, ako keby bol takýto čas pod vodou?
Nie, to je oveľa horšie. Ak sa ponoríte na takýto čas pod vodu, ak sa na začiatku poriadne nadýchnete, máte teda plné pľúca čerstvého vzduchu s množstvom kyslíka. Ale ak máte plné pľúca hélia, tak tam celý ten čas nemáte vôbec nijaký kyslík. Takže sa už reálne dusíte hneď od začiatku. A pľúca vám to nijako nesignalizujú, to je tá najväčšia zrada. Takže naozaj odporúčam – radšej neblbnúť.
.martin Mojžiš
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.