HISTORIA EWOLUCJI FORTEPIANU
———————————————————————————
 

Badania archeologiczne pokazują, że prymitywne instrumenty strunowe istniały jeszcze przed początkiem rejestrowanej historii. Biblia kilkakrotnie opisuje instrument zwany psałterzem, z którego wydobywano dźwięki poprzez szarpanie strun rozciągniętych na pudle służącym jako rezonator. Podobny instrument istniał w Chinach kilka tysięcy lat przed Chrystusem. W VI w. p.n.e. Pitagoras używał prostego instrumentu strunowego, zwanego monochordem w szukaniu matematycznych powiązań między dźwiękami muzycznymi.

Inna bardzo ważna część współczesnego fortepianu - klawiatura - nie powstała w połączeniu z jakimkolwiek instrumentem strunowym, lecz z organami piszczałkowymi. Około II w. p.n.e. grecki budowniczy, pochodzący z Aleksandrii, Ctesibus skonstruował organy wodne (organum hydraulicum), posiadające pewien rodzaj klawiatury, składający się z szeregu zasuwek, które w trakcie grania raczej wysuwano niż naciskano. Organy wodne z Aquincum (tereny dzisiejszego Budapesztu) pochodzące z 228 r. n.e., a odkryte w 1931 r., posiadały już klawiaturę w dzisiejszym pojęciu tego słowa. Pierwotnie stosowano klawiaturę diatoniczną bez półtonów chromatycznych. W klawisze, które były szerokie na dłoń, trzeba było raczej uderzać, niż naciskać.

W XIII w. coraz częściej pojawiają się dodatkowe klawisze w kolorze białym dla niektórych półtonów chromatycznych, w które należało uderzać, podczas gdy czarne klawisze diatoniczne naciskano już trzema palcami; niemniej klawisze były ciągle szerokie i granie na organach połączone było z dużym wysiłkiem fizycznym. Jednak już w wieku XIV klawisze stają się coraz węższe i lżejsze i przybierają kształt znany ze współczesnego fortepianu. Fakt przyłączenia klawiatury do psałterium (klawesyn), względnie do monochordu (klawikord) zmienił w sposób zasadniczy charakter obu tych instrumentów.

Nie wiadomo kto pierwszy zastosował klawiaturę do instrumentu strunowego. Pierwszym takim instrumentem był klawikord, który pojawił się w XV w. n.e. Pierwsze klawikordy na przedłużeniu klawisza zamontowane miały kawałek metalu, który spełniał funkcję zarówno mostka, określającego wysokość dźwięku, jak i urządzenia, powodującego drganie struny. Część struny, która nie miała dźwięczeć była wytłumiana sukiennym paskiem. Jako, że jedna struna mogła wytwarzać więcej niż jeden dźwięk o danej wysokości, klawikordy posiadały więcej klawiszy niż strun.

Współczesny fortepian odziedziczył po klawikordzie kilka istotnych cech, m.in. metalowe struny, urządzenie uderzające do wprawiania struny w drgania, mechanizm tłumiący, a także niezależną płytę rezonansową. Co więcej, pomimo tego, że dźwięk klawikordu był cichy, instrument ten pozwalał na stosowanie dynamiki w trakcie gry.

 Klawikord →

 

Prawie w tym samym czasie co klawikord powstał klawesyn. Posiadał on metalowe struny, dłuższe niż w klawikordzie, które zapewniały głośniejsze dźwięki. W pierwszym okresie był to szpinet, a następnie na początku XVI w. klawesyn. W klawesynie zamiast mechanizmu znanego z klawikordu zastosowano ostro ścięte piórko umieszczone pod odpowiednim kątem na końcu klawisza. Kiedy klawisz był naciskany, piórko poruszając się w górę szarpało strunę. Kiedy klawisz został puszczany, struna była tłumiona przez zetknięcie się z kawałkiem materiału znajdującego się nad piórkiem. Klawesyn wprowadził kilka kolejnych innowacji znanych we współczesnym fortepianie: skrzynia w kształcie skrzydła, większa ilość strun przypadających na jeden dźwięk w celu wzmocnienia dźwięku, a także pedał "forte stop", który podnosił tłumiki ze strun, zapewniając dłuższy dźwięk oraz urządzenie przesuwające klawiaturę, powodujące, że wydobywane dźwięki były nieco cichsze.

Wynalezienie fortepianu wynikało w bezpośredni sposób z niedoskonałości klawikordu i klawesynu. Ani jeden ani drugi nie oferował wykonawcy możliwości stosowania pełnej dynamiki. Co prawda w klawikordzie można było w bardzo niewielkim stopniu wpłynąć na dynamikę w trakcie gry, jednak nie był on w stanie wydawać odpowiednio głośnych dźwięków. Próbowano co prawda instalować cięższe struny do klawikordu, jednakże próby te kończyły się niepowodzeniem, gdyż mechanizmy wyzwalające dźwięk nie były dość dobre, a ponadto często ramy instrumentów nie wytrzymywały tak dużych naprężeń.

Rozwiązania tych problemów podjął się włoski wytwórca klawesynów Bartolomeo Christofori, który w zbudował pierwszy klawiszowy instrument młoteczkowy nazywając go "klawesyn cicho - głośno" (wł. "gavicembalo col pian'e forte) ze względu na możliwość grania zarówno cichego, jak i głośnego poprzez lżejsze lub cięższe naciskanie klawiszy. Według najnowszych badań Christofori skonstruował swój instrument już w 1698 r., a nie jak się powszechnie uważa w 1709r. Właśnie z roku 1698 pochodzi rachunek wystawiony księciu Ferdynandowi Medycejskiemu przez pracującego wówczas we Florencji Christoforiego. Najprawdopodobniej pomysł mechanizmu młoteczkowego Christofori zaczerpnął z Dulcimeru, instrumentu w którym struny pobudzane były młotkami trzymanymi przez grającego. W 1720 r. zaprezentowano fortepian z wieloma usprawnieniami, włącznie z zastosowaniem osobnych tłumików dla każdego dźwięku. Od terminów piano (cicho) i forte (silnie) instrument otrzymuje w językach romańskich nazwy "Piano - forte" lub "Forte - piano", Niemcy nazywają go "Hammerklavier" (niem. hammer - młotek), a także "Klavier" albo "Flügel" (skrzydło).

                                                                                           Fortepian Chopina

 

Przez następne 150 lat wielu wynalazców starało się udoskonalić fortepian Christoforiego, a w szczególności mechanizm młoteczkowy. Wynaleziono kilka odmiennych typów mechanizmów, część zupełnie nowych, a część opartych na oryginale Christoforiego. Fortepiany budowano w wielu przeróżnych formach: tradycyjnej, w kształcie skrzydła, prostokątnej, fortepiany stojące (fortepian lira, żyrafa, piramida), fortepiany stołowe (będące często klawikordami z wmontowanym mechanizmem młoteczkowym), a nawet formy bastardowe, będące kombinacjami fortepianu z klawesynem lub klawikordem, a nawet z organami. Ciągłe starania do uzyskania jak największej głośności fortepianu doprowadziły do momentu, w którym drewniane ramy przestały wytrzymywać rosnące naprężenie od coraz to grubszych strun. W 1855 r. amerykański wytwórca fortepianów niemieckiego pochodzenia Henry Steinway (z niem. Steinweg) wyprodukował fortepian z metalową ramą wykonaną z jednego odlewu. Pomimo ciągłych udoskonaleń generalne zasady budowy fortepianów od tego czasu nie uległy zmianie.

 

 

    

 

 

BUDOWA FORTEPIANU
———————————————

 

Głównymi elementami, z jakich zbudowany jest fortepian są: mechanizm klawiszowo-młoteczkowy, struny, płyta rezonansowa , konstrukcja nośna i obudowa.

 

 

MECHANIZM KLAWISZOWO-MŁOTECZKOWY
———————————————
 

image by K. Wayne Land ©1998

 

Mechanizm młoteczkowy składa się z ponad 7000 części. Liczne konstrukcje mechaniki fortepianowej, takie jak wiedeńskie, angielskie (będące w pewnym stopniu kontynuacją mechanizmu Christoforiego), wczesne konstrukcje firm Erard, Herz, Blüthner, przeszły już dziś do historii. Już od około 80 lat w fortepianach stosuje się wyłącznie schwanderowskie i steinwayowskie odmiany mechaniki z podwójną precyzją.

Mechanizm fortepianu składa się z czterech zespołów: klawiszowego, figurowego, młoteczkowego i tłumikowego. Ponieważ naciąg strunowy fortepianu jest ułożony w płaszczyźnie poziomej, mechanizm gry jest również poziomy (w odróżnieniu od pionowego mechanizmu stosowanego w pianinach). W mechanice fortepianowej wszystkie dźwignie przekaźnikowe po ruchu roboczym wracają do położenia wyjściowego głównie pod działaniem własnego ciężaru. Podstawowym elementem mechaniki jest drewniany młoteczek z filcową główką, grubszą dla tonów niskich, a cieńszą dla wysokich. Dźwięk wydobywany przez młotek twardy jest jasny i ostry, natomiast młotek miękki powoduje brzmienie matowe i ciemne. Im większy jest stosunek długości odcinka styku młotka ze struną do długości całej struny, tym większa ilość wysokich składowych dźwięku ulega stłumieniu.

 

Prawo sformułowane przez Younga mówi, że jeśli wzbudzić strunę w jakimkolwiek punkcie, to w tym punkcie może powstać jedynie strzałka, nie węzeł. Z tego prawa wynikałoby, że wybór miejsca uderzenia w strunę wpływa na formę jej drgania, tzn. na możliwość wytłumiania odpowiednich składowych, a co za tym idzie sterowania barwą dźwięku. W rejestrze niskim młotki są szersze i uderzają w miejscu ok. 1/8 długości struny. Natomiast przesuwając się w stronę tonów wysokich, począwszy od rejestru średniego, szerokość młotków się zmniejsza, a punkt uderzenia przesuwa się ku końcowi struny, aż do jej 1/24 długości. Twierdzenie Younga sugerowałoby całkowite wytłumienie ósmej harmonicznej w widmie dźwięków niskich, lecz w związku z szeroką gamą zjawisk występujących w trakcie drgań struny w fortepianie, składowa ta, choć o małej amplitudzie, jest obecna. Rysunki 2.1a,b,c pokazują stłumienie ósmej składowej w widmach dźwięków H1, C2, C3 fortepianu Steinway. W nazewnictwie zastosowano przyjęte w Polsce oznaczenie siódmego stopnia skali C-dur jako "H", w odróżnieniu od przyjętego w innych krajach "B". W notacji przyjętej w Polsce dźwięk "B" jest dźwiękiem o pół tonu niższym od "H". Przyjąłem notację określającą najniższy dźwięk fortepianu (A subkontra) jako A0, a dźwięk najwyższy (C pięciokreślne) jako C8. Zgodnie z tak przyjętą notacją dźwięk o częstotliwości 440 Hz określany jest jako A4.

Miejsce uderzenia wpływa również na czas styku młotka ze struną, co z kolei wpływa na amplitudę wyższych składowych i barwę dźwięku. Skrajne struny wiolinowe dają zwykle tak krótki i słaby dźwięk, że dopiero maksymalne zbliżenie punktu pobudzenia do początku struny pozwala osiągnąć wzbogacenie widma w składowe, tworzące wrażenie bardziej głośnego dźwięku. Młoteczek uderza w strunę na zasadzie bezwładności, a wraca do położenia spoczynkowego na zasadzie grawitacji. Czas zetknięcia się młoteczka ze struną nie powinien być dłuższy niż połowa okresu drgania struny.

Do roku 1840 klawiatura posiadała nieco ponad sześć oktaw (C1 - E7), a w roku 1855 został ustanowiony standard siedmiu oktaw (A0 - A7). Po 1880 r. dodano jeszcze trzy górne klawisze i od tego czasu skala fortepianu sięga nieco ponad siedem oktaw (A0 - C8), co daje w sumie 88 klawiszy. Każda oktawa posiada osiem białych klawiszy, które umożliwiają granie skali diatonicznej i pięć podwyższonych klawiszy czarnych, umożliwiających odegranie skali chromatycznej. We wszystkich współczesnych fortepianach dźwięki nie są dokładnie dostrojone do skali diatonicznej, lecz do skali równomiernie temperowanej, dla której oktawa jest podzielona na 12 równych interwałów.

Mechanizm tłumikowy ma za zadanie tłumić struny nie grające przed możliwym drganiem wskutek rezonansu. W fortepianie znajduje się zawsze od 65 do 70 tłumików wykonanych z filcu. Zasada działania zespołu tłumikowego jest prosta: przy naciśnięciu dowolnego klawisza koniec dźwigni klawiszowej unosi się do góry i podnosi tłumik zwalniając go ze struny. W ruchu powrotnym tłumik pod wpływem ciężaru opada i tłumi struny. Dla dźwięków powyżej D6, ze względu na ich krótki czas wybrzmiewania, tłumienie nie jest konieczne.

Fortepian posiada dwa lub trzy pedały. Pedał prawy (forte) poprzez przekaźnik, obraca ku górze listwę podnoszącą, a ona z kolei podnosi wszystkie tłumiki i pozwala strunom drgać swobodnie. Pedał lewy powoduje ściszenie granych dźwięków. W pianinach dzieje się to poprzez przybliżenie młoteczków bliżej strun, a w fortepianach poprzez przesunięcie mechanizmu klawiszowo-młoteczkowego o kilka milimetrów w prawo tak, że młotki pobudzają o jedną strunę mniej w każdym chórze (chór, to w budowie fortepianu zespół strun (dwóch lub trzech) nastrojonych w unisonie i pobudzanych jednym młotkiem), dając efekt "piano". W języku włoskim pedał ten nazywa się "una corda", co oznacza "jedna struna". "Una corda" w fortepianie umożliwia uzyskanie jeszcze jednego efektu - zmianę barwy dźwięku. Przy wciśniętym pedale młotki pobudzają struny nieograną częścią filcowej główki, bardziej pulchną, co zauważalnie zmiękcza charakter brzmienia. Pedał środkowy, jeżeli jest, powoduje podtrzymanie tych tłumików, które są aktualnie podniesione. Do pozycji wyjściowej mechanizmy wszystkich pedałów są przesuwane przez silne, resorowe sprężyny powrotne.

 

 

STRUNY
———————————————

Menzura strun to zbiór wszystkich rozmiarów strun w obrębie skali dźwiękowej fortepianu. Na pojęcie menzury składają się następujące parametry: zakres skali dźwiękowej, liczba drgań każdej ze strun, rozstaw chórów strunowych w poszczególnych rejestrach brzmieniowych, długości i przekrój strun, siła ich napięcia, naprężenia w materiale strun, wybór miejsca uderzenia młoteczków w struny, a także rozplanowanie całego naciągu strunowego w stosunku do konstrukcji nośnej i płyty rezonansowej. Menzury współczesnych fortepianów są bardzo od siebie różne, jedynie ustabilizowany jest zakres dźwiękowy. Typowy fortepian koncertowy posiada 243 struny o długości od 2 m dla najdłuższej struny basowej do 5 cm dla struny dźwięku C8. W ilości tej zawarte jest osiem pojedynczych strun owiniętych pojedynczo lub podwójnie, pięć par strun owiniętych, siedem trójek strun owiniętych oraz 68 trójek strun nieowiniętych. Mniejsze fortepiany (salonowy, mały gabinetowy) mogą co prawda posiadać mniejszą ilość strun, lecz również pozwalają na wydobycie pełnej skali 88 dźwięków. Struny pianin i fortepianów podlegają stałym siłom rozciągającym w zakresie 70-150 kG, a oprócz tego poddawane są dodatkowym obciążeniom dynamicznym przez uderzenia młotków i przeciążenia w czasie ich strojenia. Dlatego materiał na struny powinien mieć bardzo dużą wytrzymałość. Tradycyjnym materiałem jest drut stalowy, zawierający 0.8% - 0.9% węgla, 0.3% - 0.6% manganu, zwiększającego zwięzłość materiału. Drut powinien mieć bardzo wysoką granicę odporności na zerwanie, która w dobrych wzorcach sięga 190-220 kG/mm2. Ponieważ końce strun są skręcane stopniowo w spirale i pętle do zaczepienia na kołkach, niezbędne jest, aby drut posiadał dobrą zwięzłość i minimalną łamliwość.

Do produkcji strun nie stosuje się drutów o owalnym lub eliptycznym przekroju. Owalność powoduje, że struna ma dwie różne średnice w jednym przekroju. Taka struna drgałaby z różnymi amplitudami odpowiednio do podziału masy, dając jednocześnie dwie różne częstotliwości, czyli wyraźnie brzmiałaby fałszywie. Drut dobrej jakości winien mieć gładką, dobrze wypolerowaną powierzchnię, aby zapobiec korozji w formie rdzy i ubytków.

Praca strun i ich zdolność do wykonywania funkcji źródeł dźwięku w znacznym stopniu zależy od precyzji umocowania ich na kołkach. Bardzo ważnym jest, aby te kołki były sztywne i mimo obciążeń statycznych i dynamicznych przez struny, zapewniały stabilność stroju. Aby struna mogła bez strat oddać zapas pobudzonej w niej energii, winna być trwale zamocowana do powierzchni mostka. Drugie zamocowanie i rozdzielenie struny w jej przedniej części następuje już na całkowicie twardym, nieruchomym podłożu opancerzenia strojnicy w postaci odlanego razem z ramą progu.

  

PŁYTA REZONANSOWA
———————————————

Płyta rezonansowa w instrumentach strunowych, będąca sprężystą i podatną membraną, tym lepiej będzie wypełniać swoją rolę wzmacniacza, im mniej energii drgających strun zostanie zużytych na pokonanie napięcia międzycząstkowego materiału, jego bezwładności, a im więcej jej zostanie do wypromieniowania na zewnątrz. Niewiele materiałów posiada odpowiednie właściwości do zastosowania w roli rezonatora. Metale pomimo dobrych właściwości, takich jak jednorodność budowy i wysoka sprężystość, nie nadają się do tego celu z powodu zbyt dużej gęstości. Doświadczalne płyty metalowe posiadają tak dużą bezwładność, że prawie całą energię strun wykorzystują na przejście ze stanu spoczynku w stan ruchu. Oprócz tego membrany metalowe wprowadzają dodatkowe składowe, powodujące nieprzyjemny, charakterystyczny dla metalu dźwięk.

Płyta rezonansowa jest głównym źródłem promieniowania dźwięku w fortepianie, podobnie jak wierzchnia część pudła rezonansowego skrzypiec, czy wiolonczeli. Dźwięk przechodzi ze strun, poprzez mostek do płyty, która drga w sposób złożony, będący funkcją częstotliwości. Dowolny punkt w przestrzeni wokół fortepianu odbiera dźwięk w postaci ciśnienia akustycznego z każdej drgającej powierzchni płyty.

Płyta rezonansowa prawie zawsze zbudowana jest z drzewa świerkowego o grubości ok. 16 mm., długości 500-2200 mm. z włóknami ułożonymi wzdłuż strun. Szczególnie cenny jest świerk z terenów górskich, gdzie surowe warunki klimatyczne i uboga gleba sprzyjają formowaniu się drewna z równomiernym przyrostem słoi rocznych. Dla usztywnienia płyty na spodzie umieszczone są żebra w kierunku prostopadłym do przebiegu włókien. Główną wadą technologiczną drewna jest niejednorodność jego właściwości fizyczno-mechanicznych. Wzdłuż włókien drgania dźwiękowe rozchodzą się z prędkością do 5500 m/s (drewno z drzew iglastych), natomiast w poprzek włókien prędkość rozchodzenia się fal jest trzykrotnie mniejsza. W związku z tym konstrukcja płyty rezonansowej jest taka, aby umożliwić szybkie i równomierne rozłożenie energii drgań na całej płycie i w następstwie równomierne promieniowanie całej powierzchni płyty.

 

KONSTRUKCJA NOŚNA
———————————————

Aby zapewnić pożądaną głośność fortepianu, struny utrzymywane są pod dużymi naprężeniami, które mogą przekroczyć 28 Ton/cm2. Sumaryczna siła wszystkich strun w fortepianie koncertowym przekracza 20 Ton. Konstrukcją posiadającą dostateczną trwałość i sztywność oraz zapobiegającą deformacjom i utrzymującą strój szeregu dźwiękowego jest w fortepianie osnowa (masywna drewniana rama) oraz rama metalowa. Oprócz tego służą one również do zamocowania płyty rezonansowej i obudowy instrumentu. Dla jednoczesnego i równomiernego przyjęcia obciążenia osnowa i rama metalowa są połączone dużymi wkrętami, tworząc jedną całość.

Ramy metalowe fortepianów zwykle są odlewane z szarego żeliwa kowalnego. Taki materiał odróżnia się od stali i innych metali niską ceną, zdolnością przyjmowania w odlewie złożonych kształtów i wytrzymałością na statyczne obciążenia bez zauważalnej deformacji. Twardość żeliwa wynosi 200-207 kG/mm2 . Ciężar żeliwnej ramy fortepianu waha się w granicach 100-200 kg. Forma i rozmiar ramy określone są przez kształt instrumentu, jego wymiary i rozplanowanie naciągu strunowego.

OBUDOWA
———————————————

Obudowa fortepianu w odróżnieniu od obudowy wielu innych instrumentów muzycznych nie jest zasadniczą konstrukcją nośną. Zakrywa i chroni wszystkie części robocze przed uszkodzeniami i tak jak futerał, zapobiega szybkiemu zapyleniu wewnętrznych zespołów instrumentu. Częściowo chroni je również przed oddziaływaniem środowiska zewnętrznego przy gwałtownych zmianach temperatury i wilgotności powietrza. Oprócz tego obudowa fortepianu jest konstrukcją nośną dla mechanizmu klawiszowo-młoteczkowego i nadaje instrumentowi ostateczny, zewnętrzny kształt.

 

---