Długość dzwięku korozji
Jeśli jesteś tu, bo przesłuchałeś podcast Politechniki Śląskiej "Pogadajmy o Nauce", to trafiłeś w dobre miejsce.
W ramach eksperymentu „Długość dźwięku korozji” zbadaliśmy, jak kontakt strun z ludzką skórą wpływa na ich degradację oraz brzmienie – przed i po procesie korozyjnym. Efekty okazały się ciekawe.
Przez ostatnie miesiące prowadziliśmy szczegółowe badania, których wyniki zostały opublikowane w artykule popularnonaukowym w biuletynie Politechniki Śląskiej.
Ciekawi Cię, jak brzmi korozja?
Korozja ma swój dźwięk. Czy potrafisz go usłyszeć?
Czy gdyby korozja potrafiła mówić, usłyszałbyś jej słowa? A może… jej brzmienie? Czy zastanawiałeś się kiedyś, czym różni się dźwięk zupełnie nowych strun gitarowych od tych, które mają za sobą setki godzin gry?
Choć zmiany zachodzące na strunach są często niewidoczne gołym okiem, ich wpływ może być słyszalny. Pot, tłuszcz oraz zanieczyszczenia przenoszone z palców muzyka w trakcie gry znacząco przyspieszają proces korozji, prowadząc do stopniowego pogorszenia jakości dźwięku. Czy to jedyny efekt degradacji tak ważnego elementu intstrumentu, niezbędnego do wydobycia brzmienia z drewnianej konstrukcji?
Budowa strun gitarowych
Współczesne struny gitarowe to złożone struktury metaliczne, najczęściej składające się z rdzenia o przekroju sześciokątnym lub okrągłym, wykonanego z wysokowęglowej stali, oraz owijki z drutu stalowego niklowanego lub stopów miedzi, takich jak fosforobrąz (Rys. 1).
Rdzeń jest często pokrywany cienką warstwą cyny (Sn), która ma ograniczać korozję naprężeniową i poprawiać poślizg owijki, podczas gdy niklowa powłoka zewnętrzna nadaje brzmieniu "cieplejszą" barwę i chroni przed szybkim zużyciem. Procesy korozyjne są inicjowane przez kontakt z ludzkim potem. Reakcje elektrochemiczne prowadzą do uwalniania do otoczenia jonów metali, takich jak żelazo (Fe³⁺), cyna (Sn²⁺), mangan (Mn²⁺) oraz nikiel (Ni²⁺). Szczególnym zagrożeniem dla zdrowia muzyków jest uwalnianie niklu, będącego silnym alergenem, który może wywoływać kontaktowe zapalenie skóry (contact dermatitis), przy czym kwas mlekowy zawarty w pocie dodatkowo wspomaga jego rozpuszczalność poprzez proces chelatacji.
Badania przeprowadzone przez zespół profesor Rezić z Uniwersytetu w Zagrzebiu, polegające na pomiarach stężeń wybranych jonów w roztworze symulowanego sztucznego potu dowodzą, że uwalnianie jonów niklu ze strun gitar elektrycznych (Rys. 2) jest realnym problemem, chociaż w czasie trwania eksperymentu nie stwierdzono przekroczenia stężenia ogólnie przyjętego na mocy regulacji za niebezpieczne ze względu na wywołanie uczulenia (> 0,5 μg/cm²/tydzień).
Postępująca korozja strun drastycznie wpływa na ich właściwości akustyczne, powodując tłumienie wysokich harmonicznych oraz skrócenie czasu wybrzmiewania (sustainu) instrumentu. Produkty korozji (w przypadku żelaza/stali jest to rdza) gromadzące się w szczelinach owijki zwiększają tarcie wewnętrzne i tłumienie, co objawia się utratą energii kinetycznej drgającej struny i skutkuje mniej "jasnym", pozbawionym blasku brzmieniem. Aby przeciwdziałać tym negatywnym zjawiskom, producenci stosują m.in. powłoki polimerowe, które izolują metal od czynników zewnętrznych, lub wykorzystują metale szlachetne, takie jak złoto czy srebro.
Najnowsze badania przeprowadzone pod kierownictwem profesora Casesa z Politechniki w Walencji wskazują również na wysoką skuteczność ochrony katodowej prądem zewnętrznym, która pozwala zredukować powstawanie tlenków żelaza o około 40%, skutecznie przedłużając żywotność strun i pozwalając na dłuższe zachowanie ich pierwotnych walorów dźwiękowych (Rys. 3). W jednej z prac pod kierownictwem Casesa zarejestrowano spektrogramy (kolorowe wykresy z poziomymi liniami), które przedstawiają, jak intensywności poszczególnych częstotliwości dzwięku zmieniają się z czasem po kontrolowanym uderzeniu w strunę gitarową (im bardziej czerwony punkt na wykresie, tym bardziej intenstywna jest dana częstotliwość; im bardziej zielony, tym mniej intensywna). W pracy tej opublikowano również widma FFT (szybka transformacja Fouriera - ang. Fast Fourier Transform) określające intensywność (amplitudę) poszczególnych częstotliwości w jednym punkcie czasowym (jest to pojedynczy wycinek ze spektrogramu).
Jak widać z przedstawionych wykresów, korozja struny do gitary elektrycznej nie tylko zmniejsza amplitudę dzwięku (jego głośność), ale również przekształca widmo FFT (zmiena barwę) i skraca sustain (czas w jakim on wybrzmiewa).
Nasze podejście do badań nad korozją strun
Z okazji tegorocznego CorrDay, zdecydowaliśmy się dodać naszą własną cegiełkę do tego, co robi się na świecie w związku z badaniem korozji strun gitarowych. Wiemy, że degradacja strun prowadzi do uwalniania się szkodliwych jonów i do "erozji" brzmienia instrumentu. Szczególnie ten drugi aspekt nas zainteresował, ponieważ znamy ilościowe informacje na temat zmiany charakteru dzwięku (np. Rys. 3), ale nie byliśmy w stanie odnaleźć informacji "jakościowej". Innymi słowy, chcieliśmy posłuchać korozji. Jak brzmią struny świeże w porównaniu z tymi skorodowanymi? Dodatkowo na świecie obserwujemy zainteresowanie środowiska naukowego korozją strun przeznaczonych wyłącznie do gitary elektrycznej. Dlatego w naszych badaniach zdecydowaliśmy się włączyć do gry również gitarę akustyczną.
Aby przeprowadzić eksperymenty, wybraliśmy po dwa zestawy strun, popularnej wśród gitarzystów marki D'Addario (Rys. 4):
- EXL 110 (gitara elektryczna; co odpowiada rozpiętości grubości strun 10-46; struny stalowe, niklowane)
- EJ15 (gitara akustyczna; co odpowiada rozpiętości grubości strun 10-47; struny stalowe z owijką z fosfobrązu)
Rys. 4. Zawieszone w laboratorium dwa zestawy strun przeznaczone do badań: (lewa) wygląd strun, (środek) struny w kieszeniach wypełnionych roztworem sztucznego potu, (prawa) zbliżenie na opisy kieszeni (foto: A. Kołkowska)
Struny moczyliśmy w roztworze sztucznego potu 5 dni w tygodniu po 30 minut dziennie przez 3 tygodnie, aby zasymulować warunki, w jakich początkujący gitarzyści szlifują swoje zdolności. Nie będziemy ukrywać, że te warunki są raczej ekstremalne, bo przecież nikt nie jest w stanie spocić swoje struny do tego stopnia, aby każda z nich pokryła się 100 ml takiego roztworu - bo właśnie z takiej objętości tej cieczy korzystaliśmy. Jednak dzięki tej procedurze moczenia 3 tygodnie wystarczyły, aby zaobserwować efekty!
Na pewno zastanawiacie się, czym jest roztwór sztucznego potu? Okazuje się, że jest nawet norma, która reguluje ściśle jego skład (dla ciekawych, nr normy to: EN 1811:2023). Taki roztwór stosuje się w laboratorium np. w przypadku chęci wykonania eksperymentów dotyczących uwalniania jonów metali, potencjalnie zdolnych do wywołania uczulenia (interesuje sie tym np. branża jubilerska). Oto co należy dodać do wody i w jakich proporcjach, aby uzyskać sztuczny pot:
- 0,5% NaCl (chlorek sodu - zwykła sól kuchenna i główny czynnik korozyjny)
- 0,1% kwasu mlekowy (min 88% czyst.; powszechnie błędnie uważany za przyczynę "zakwasów" w mięśniach po treningu)
- 0,1% mocznika (często obecny w kremach nawilżających, np. do stóp)
- wody amoniakalnej służącej do nastawienia pH roztworu do wartości 6,5 (bliskie odczynu obojętnego)
Po wykonanych eksperymentach "pocenia" strun, zabraliśmy się do badania naszych pacjentów w następujący sposób:
- zmiana wagi strun
- określenie chwilowej odporności korozyjnej (wyznaczonej elektrochemicznie - o tym później)
- zmiany w wyglądzie strun zbadane skaningowym mikroskopem elektronowym (SEM)
- określenie brzmienia strun
Zmiana wagi niestety nie była możliwa do określenia bez usunięcia produktów korozji (głównie rdzy), która była nam potrzebna do zbadania jej wpływu na brzmienie. Stąd tymi wynikami się z Wami nie podzielimy. Stało się tak, bo w miejsce skorodowanego metalu pojawia się nierozpuszczalny osad, o zbliżonej wadze (przynajmniej z punktu widzenia dokładności naszych wag laboratoryjnych).
Do badań elektrochemicznych musieliśmy stworzyć zupełnie nowe stanowisko pomiarowe. Badania tego typu przeprowadza się w naczyniu wypełnionym medium korozyjnym (w tym przypadku - roztworem sztucznego potu), do którego podłączamy elektrody (referencyjną i pomocniczą, gdyby ktoś pytał...). Nasz obiekt badań (struna) również staje się jedną z elektrod (zwana pracującą). Żeby struna była odpowiednio napięta (do swojego naturalnego stroju), musieliśmy wykorzystać narzędzie, które pozwoliło nam uzyskać konkretny dźwięk w powtarzalny sposób . To dało początek czemuś, co finalnie nazwaliśmy "instrumentem pomiarowym" (Rys. 5).
Rys. 5. Aparatura pomiarowa wykorzystana w badaniach: (lewa) instrument pomiary podłączony do potencjostatu-galwanostatu AUTOLAB (prawa) zbliżenie na naczynie pomiarowe - celkę - z elektrodami. Wysłużona gitara akustyczna została przekazana na cele naukowe przez A. Olesińskiego (foto: A. Kołkowska)
Badania z wykorzystaniem potencjostatu-galwanostatu (Rys. 5) polegają na ścisłej kontroli parametrów elektrycznych (prądu i potencjału) tak, aby wyznaczyć odpowiednie charakterystyki korozyjne. W tym celu można skosrzystać z metody znanej jako elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS od ang. electrochemical impedance spectroscopy). Nie wchodząc w szczególy, pozwala ona wyznaczyć opór polaryzacji, którego wartość liczbowa określana w jednostkach Ω·cm² jest proporcjonalna do chwilowej odporności korozyjnej materiału. Takie badanie wykonywaliśmy na wybranych strunach przed moczeniem w roztworze sztucznego potu oraz po każdym tygodniu takiego "pocenia" (Rys. 6).
Rys. 6. Chwilowa odporność korozyjna wyznaczona jako opór polaryzacji dla struny B2(Ac) - bez owijki oraz G3(Ac) - z owijką na gitarze akustycznej oraz G3(El) - bez owijki oraz D(El) - z owijką na gitarze elektrycznej. Wstawki przedstawiają obrazy SEM strun gitary elektrycznej (lewa - G(El), prawa - D(El) po korozji przez 3 tygodnie)
Odporność korozyjna przedstawiona na wykresach (Rys. 6) jest przeliczona przez powierzchnię strun, przez co ich rozmiar (grubość) nie ma wpływu na wartość tego parametru. Widzimy, że obie struny bez owijki (lewy wykres) odznaczają się bardzo podobnym zachowaniem, niezależnie od tego, czy mowa o gitarze akustycznej czy elektrycznej. Nic dziwnego, to ten sam materiał, tylko o różnej grubości. Widać jednak, że z czasem odporność spada, a na strunie widać pierwsze ślady rdzy (wstawka z obrazem mikroskopowym na lewym wykresie Rys. 6).
Sytuacja jest zupełnie odmienna dla strun z owijką (wykres z prawej). W przypadku struny do gitary elektrycznej, jej początkowa wartość odporności jest identyczna jak dla strun bez owijki (brawo elektryczna!). Jednak w przypadku struny z owijką do gitary akustycznej, opór polaryzacji jest około 50-krotnie niższy w porównaniu do reszty strun. Winę za to ponosi fosforbrąz i zjawisko korozji galwanicznej. Teraz trochę technicznie - postaram się nie rozpędzać. Wszystko zależy od szlachetności metali będących ze sobą w bezpośrednim kontakcie. Na przykład złoto jest bardzo szlachetne, miedź średnio szlachetna, żelazo mało szlachetne, a sód ekstremalnie nieszlachetny (strach go spotkać w ciemnym zaułku...). Im dalej od siebie metale pod względem ich szlachetności, tym bardziej ten bardziej szlachetny partner będzie przespieszał korozję tego mniej szlachetnego. Równocześnie ten bardziej szlachetny partner będzie korodował w takim towarzystwie wolniej, niż gdyby był w tym środowisku samotnie (a jednak szlachetność popłaca!). Miedź zawarta w fosfobrązie z owijki jest dość szlachetna, więc bardzo przyspiesza korozję żelaza z rdzenia. Jednak jak widać, z czasem przyrost produktów korozji spowalnia ten efekt (wstawka z obrazem mikroskopowym na prawym wykresie Rys. 6). Natomiast nikiel, choć umiarkowanie szlachetniejszy od żelaza, pokrywa się dodatkowo warstwą pasywną, która odseparowuje go od swojego partnera. Stąd przyspieszenie jest początkowo mniejsze. Po czasie jednak widać zrównanie odporności obu strun i efekt korozji galwanicznej (porównaj z wykresem po lewej dla strun bez owijki). Uff.. koniec technikaliów. W skrócie - owijka poprawia brzmienie i umożliwia wydobywanie niższych dzwięków, bez potrzeby czynienia struny zbyt sztywną, jednak powoduje problemy korozyjne.
Przyjrzyjmy się teraz strunom po ich przekojeniu na pół (tak, da się to zrobić - Rys. 7A; szczególnie odpowiednio dużą liczbą studentów/doktorantów). Wykorzystujemy do tego specjalny wariant SEM-EDS (ang. energy-dispersive X-ray spectroscopy), który pozwala uwidocznić pierwiastki zawarte w materiale (Rys. 7).
Rys. 7. (A) Przekroje poprzeczne przez strunę gitary akustycznej G(Ac) przed i po korozji - widok makroskopowy. Widok mikroskopowy przekrojów po korozji wraz z rozkładem pierwiastkowym dla (B) struny gitary akustycznej B(Ac), (C) struny gitary elektrycznej D(El) oraz (D) struny gitary akustycznej G(Ac)
Obrazy mikroskopowe strun w przekroju uwidaczniają, z jakiego materiału wykonany jest dany obszary obserwacyjny. Rozkład pierwiastkowy widzimy jako kolorowe "mapy" umieszczone obok szarych obrazów z mikroskopu elektronowego (elektrony nie pozwalają na uwidocznienie barw, które dzięki światłu - fotonom - widzimy na co dzień). W przypadku struny do gitary akustycznej B(Ac) widzimy jedynie delikatnie zarysowane ślady korozji na brzegach, szczególnie w górnej jej części (Rys. 7B). Resztę materiału stanowi głównie żelazo. Dookoła widać sygnały pochodzące od węgla i tlenu, z których składa się żywica, w której zatopiono struny do obserwacji. W przypadku struny D(El) z owijką (Rys. 7C), ślady korozji widać w ograniczonej ilości między zwojami owijki na miejscu styku z rdzeniem. Jednak nie ma ich tam zbyt wiele. Widać natomiast, że rzeczywiście owijka jest powleczona niklem. Największe zniszczenia widać na strunie G(Ac) z owijką (Rys. 7D). Oprócz różnic w składzie chemicznym rdzenia (żelazo) i owijki (stop miedzi z cyną - brąz, a właściwie fosfobrąz), zarówno na wierzchu, jak i pod spodem owijki widać produkty korozji (rdzę), w których składzie dominuje żelazo i tlen. To właśnie efekt galwaniczny sprawia, że w tym zestawieniu materiałowym możemy zaobserwować najbardziej gwałtwony skutek korozji po 3-tygodniowym cyklu "pocenia" strun.
Degradacja brzmienia
Przed nami teraz najlepsze. Będziemy mieli okazję posłuchać, jak brzmią struny po wspomnianej przygodzie z roztworem sztucznego potu w porównaniu ze strunami świeżymi. Próbki dzwięku każdej z "otwartych" strun (czyli zagranych bez zmiany wysokości dźwięku poprzez dociśnięcie struny do progów) na gitarze elektrycznej i na gitarze akustycznej (polecamy założyć słuchawki).
Choć jesteśmy raczej inżynierami chemikami/entuzjastami gry na gitarze, to podejmiemy się bardzo podstawowej analizy sygnału akustycznego powstałego z rejestracji brzmienia gitar w tych czterech różnych konfiguracjach. Poniżej zestawienie widm FFT (mówiliśmy o nich na początku tego artykułu) zarejestrowanych dla wszystkich badanych przez nas strun (Rys. 8).
Rys. 8. Widma FFT zarejestrowane dla otwartych strun na gitarze akustycznej (lewa) oraz elektrycznej (prawa). Sygnały w kolorze żółtym można przyporządkować strunom skorodowanym, a te w kolorze pomarańczowym - świeżym. Zielona linia stanowi obwiednię, która łączy piki intensywności dla strun świeżych.
Na podstawie analizy powyższych widm częstotliwościowych można stwierdzić, że procesy korozyjne wyraźniej wpływają na właściwości akustyczne strun z owijką niż strun gładkich. W przypadku strun skorodowanych obserwuje się istotne osłabienie amplitudy częstotliwości podstawowej (tej, do której struna jest nastrojona) w porównaniu ze strunami nowymi, co wskazuje na pogorszenie efektywności drgań własnych struny.
Dla strun bez owijki zależność ta jest znacznie słabsza, a w wielu przypadkach niemal niewidoczna. Jest to zgodne z oczekiwaniami, ponieważ w strunach z owijką występują przestrzenie sprzyjające gromadzeniu się produktów korozji, zanieczyszczeń oraz resztek naskórka, co może prowadzić do zwiększonego tłumienia drgań oraz zmiany masy czynnej struny. Z powyższych badań wiemy też, że korozja galwaniczna (nikiel-stal oraz fosfobrąz-stal) przyczyniła się do szybszego niszczenia korozyjnego niż w przypadku korozji swobodnej (struny bez owijki).
Dodatkowo zaobserwowano, że w przypadku strun B2 oraz e1 w gitarze elektrycznej amplituda częstotliwości podstawowej jest relatywnie niska zarówno dla strun nowych, jak i skorodowanych. Może to wskazywać na obecność czynników niezwiązanych bezpośrednio z korozją, takich jak nieoptymalna regulacja mostka lub niepożądane tarcie na siodełku, które mogą ograniczać swobodne drgania struny.
Jeśli to co przeczytaliście/zobaczyliście/usłyszeliście powyżej wydaje się Wam zbyt surowe/chłodne/bez charakteru, to mamy coś jeszcze, dzięki czemu będzie można poczuć, jak struny świeże i skorodowane różnią się od siebie. Najlepiej posłużyć się przykładem - utworem muzycznym, który posłuży nam do porównania brzmienia instrumentów, których struny dotyka lub nie dotyka zjawisko korozji.
W hołdzie mistrzom
W związku ze zbliżającym się (19.05.2026) koncertem światowego giganta gitarowego brzmienia - amerykańskiego zespołu Metallica (myślę, że nikomu nie trzeba tych Panów przedstawiać...), postanowiliśmy wybrać jedną z ich oryginalnych, balladowych kompozycji - Fade to Black. Efekt brzmienia tej smutnej ballady na strunach świeżych i skorodowanych możecie ocenić sami. Naszym zdaniem nękająca świat korozja idealnie wpisuje się w liryczną tematykę utworu...
A Wam, która wersja nagrania bardziej przypadła do gustu?
Jeśli jeszcze Wam mało...
... i nie mieliście jeszcze okazji, to zapraszamy do posłuchania podcastu z udziałem głównych sprawców tego małego projektu korozyjnego:
- mgr. inż. Aleksandra Olesińskiego
- dr. inż. Maciej Sowy
Dzięki gościnności red. Martina Huć będącego członkiem zespołu realizującego podcast Politechniki Śląskiej "Pogadajmy o nauce" mieliśmy platformę, na której mogliśmy porozmawiać "na luzie" o początkach pomysłu na eksperyment i o pasjach muzycznych.
24.04.2026 r., podczas uroczystości Światowego Dnia Świadomości Korozyjnej (World Corrosion Awareness Day – WCAD, czyli CorrDay 2026 na Politechnice Śląskiej), zgromadzona publiczność miała okazję posłuchać strun z pierwszej ręki. Co jeszcze fajniejsze, mogli oni dosłownie zostawić swój ślad na „instrumencie pomiarowym” (rys. 5). Teraz ta naukowo potwierdzona, przetestowana korozyjnie gitara będzie kolejną maskotką nadchodzących wydarzeń CorrDay (Rys. 9).
Do zobaczenia w przyszłym roku!
Rys. 9. W dniu 24.04.2026 r. (WCAD) na naszym „instrumencie pomiarowym” zebrano podpisy uczestników ceremonii (po lewej – fot. A. Kołkowska); później w auli można było usłyszeć demonstrację „dźwięku korozji” w wykonaniu A. Olesińskiego (po prawej – fot. A. Maciej).
Tekst: Maciej Sowa
Oryginał: 23.04.2026
Ostatnia aktualizacja: 27.04.2026Literatura odniesienia
- Rezić, I., Ćurković, L., & Ujević, M. (2009). Metal ion release from electric guitar strings in artificial sweat. Corrosion Science, 51(9), 1985–1989.
- Rezić, I., Ćurković, L., & Ujević, M. (2010). Study of microstructure and corrosion kinetic of steel guitar strings in artificial sweat solution. Materials and Corrosion, 61(6), 524–529.
- Rolich, T., Rezić, I., & Ćurković, L. (2010). Estimation of steel guitar strings corrosion by artificial neural network. Corrosion Science, 52(3), 996–1002.
- Rezić, I., Ujević, M., & Ćurković, L. (2014). Investigation of metal ion release from violin, viola, and cello strings after dissolution in corrosive solution. Materials and Corrosion, 65(9), 922–928.
- Borruto, A., Narducci, G., & Buccitti, M. (2013). Failure analysis of piano strings. Engineering Failure Analysis, 35, 164–177.
- López, J. L., Bonastre, J., Segura, J. G., Gadea, J. M., Juliá, E., & Cases, F. (2015). Correlations between acoustic and electrochemical measurements for metallic corrosion on steel strings used in guitars. Engineering Failure Analysis, 57, 270–281.
- Bonastre, J., López, J. L., Segura, J. G., Gadea, J. M., Juliá, E., & Cases, F. (2019). Cathodic protection of steel guitar strings against the corrosive effect of human sweat. Engineering Failure Analysis, 97, 645–652.
- Segura Alcaraz, J., Bonastre Cano, J. A., Juliá Sanchis, E., Gadea Borrell, J. M., & Cases Iborra, F. J. (2024). Evaluation of the acoustic performance of a novelty cathodic protection system against guitar steel strings corrosion. Heliyon, 10(9), e30811.
