파동의 성질과 활용
파동: 진동이 주위로 퍼져나가는 현상
파동은 진동이 주위로 퍼져나가는 현상을 뜻하는데, 이때 진동이란 어떤 특정한 위치에서 짧게 왕복운동 하는 것을 뜻한다.
파동의 종류로는 크게 횡파와 종파로 나눌 수 있다. 진동을 주위로 퍼져 나가게 하기 위해서는 어떠한 물질이 필요한데, 이러한 물질을 매질이라고 한다. 예를 들어, 지진파의 경우 암석이 매질이 되는 것이고 음파의 경우에는 공기가 매질이 된다. 매질은 제자리에서 또 다른 매질을 진동시켜 공간을 따라 전파되어 파동을 발생시킨다. 파동에는 매질의 진동 방향과 파동의 진행 방향에 따라 횡파와 종파로 나뉜다.
횡파는 파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 서로 수직인 파동을 뜻하며 그림으로 나타내면 아래와 같다. 예시로는 지진파의 S파와 전자기파(빛)가 있다. 참고로, 빛이 횡파이기 때문에 횡파와 종파를 동일한 선상에 둔다면, 횡파가 더 중요하게 여겨진다고 할 수 있다.
그리고 종파는 파동의 진행 방향과 매질의 진행 방향이 동일하며 아래와 같은 그림과 같이 표현할 수 있다. 예시로는 지진파의 P파와 소리(초음파)가 있다.
파동이 발생하기 위해서는 꼭 매질이 필요한데, 빛의 경우 예외적으로 매질이 필요없다.
빛의 경우, 진공에서 속력이 가장 빠른데 빛의 진행 속력은 30만 km/s이다. 그런데 사실 진공에서의 빛의 속력과 공기 중의 빛의 속력은 거의 동일하다. 하지만 빛의 매질이 액체나 고체로 변경된다면 빛의 속력은 느려진다.
소리의 경우, 매질이 꼭 있어야만 소리가 전달될 수 있다. 따라서 소리의 진행 속력이 빠르기 위한 조건은 분자의 간격이 촘촘해야 하기 때문에 고체에서 가장 빠르고 액체가 그 다음이며, 공기에서 가장 느리다.
추가로 횡파와 종파에 따라 간단히 용어 정리를 하면 다음과 같다.
먼저, 횡파의 경우, 마루와 골이라는 용어를 활용하여 파장을 설명할 수 있다.
횡파를 보면, S자의 형태로 높은 곳과 낮은 곳의 파동을 확인할 수 있는데, 높은 곳을 '마루'라고 하고 낮은 곳을 '골'이라고 한다. 그리고 마루에서 마루까지 혹은 골에서 골까지의 거리를 '파장'이라고 한다.
그리고, 종파의 경우, 밀과 소라는 용어를 활용하여 파장을 설명할 수 있다.
위 그림에서 알 수 있듯이, 매질의 간격이 밀집된 곳을 '밀'이라 하고 듬성듬성한 곳을 '소'라고 하며 밀에서 밀까지 혹은 소에서 소까지의 거리를 '파장'이라고 한다.
파장은 파동의 진행 속력을 구하기 위한 하나의 요소 역할을 하며, 그리스 문자로 람다(λ)로 쓴다.
추가로 알아야할 용어로는 '진폭'과 '주기'가 있다.
진폭은 마루와 골 중간 지점에서부터 마루 혹은 골까지의 거리를 뜻한다.
그리고 주기는 매질이 1회 진동하는데 걸린 시간 T를 뜻한다.
이제는 진동수를 알아보자
진동수는 영어로 frequency라고 하고 기호로는 f로 쓴다. 진동수의 뜻은 1초 동안 파동이 진동하는 횟수를 뜻하며 단위는 맥스웰이 사용한 Hz를 사용한다. 진동수는 아래와 같이 구할 수 있다.
진동수(f) = 1 / 주기(T)
또한, 파동의 진행 속력을 한 주기 동안 매질이 한 번 진동하는 동안에 이동한 거리를 통해 구할 수 있고 다음과 같이 구할 수 있다.
c = λ / T = λf
