마치 마법처럼! 스피커와 실로 만들어보는 초저가 ‘정상파’ 실험 레시피

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!

눈에 보이지 않는 ‘소리’의 모양, 한번 보고 싶지 않으세요? 과학실험 장치들은 비싸다는 편견이 있을 수 있지만, 사실 주변의 흔한 물건들로도 깜짝 놀랄 만큼 제대로 된 실험을 할 수 있답니다. 오늘은 마치 살아있는 것처럼 현(줄)이 춤을 추는 ‘정상파(定常波)’ 실험 장치를 소개합니다. 저희 학교 I 선생님과 협력하여, 100엔 숍 아이템들을 총동원해 저렴하면서도 고성능인 장치를 개발했어요. 학교 선생님들은 물론, 집에서 하는 자유 연구(숙제)에도 딱 좋습니다!

과학 레시피: 생활 속 재료로 실험 장치를 만들자!

‘물리 실험’이라고 해서 특별한 도구가 필요하지는 않습니다. 이번에 준비할 아이템은 다음과 같습니다. 전부 합쳐도 점심 한 끼 가격 정도면 충분합니다.

준비물: 저렴한 스피커 (나중에 분해할 거예요) 예를 들어, 다이소에서 300엔에 팔던 스피커는 아주 강력했습니다. 3W 출력이 있어 현(줄)을 더 강하고 다이내믹하게 흔들어 줄 수 있습니다. 과학 실험도 이렇게 더 좋은 부품을 찾아 업그레이드하는 재미가 쏠쏠하죠.

・문어실 (타코이토, 굵은 면사) ・추 (낚시용 추나 5엔짜리 동전을 묶어서 대체 가능) ・도마 거치대 (100엔 숍에서 구입)

・USB 충전기 콘센트 (100엔 숍에서 구입)

・음원 장치인 스마트폰이나 아이패드 (무료 ‘톤 제너레이터’ 앱을 설치해 두세요. 특정 주파수의 소리를 낼 수 있는 앱이라면 어떤 것이든 괜찮습니다)

이 도구들을 조합해 봅시다. 스피커의 진동판 부분에 문어실을 묶고, 다른 한쪽을 도마 거치대에 걸어 추로 팽팽하게 당겨줍니다.

자, 스위치 온! 실제로 흔들어 보면…

어떠신가요? 맨눈으로도 선명하고 아름다운 파동의 모양이 보입니다. 기존의 실험 장치들보다 훨씬 잘 보이는 정상파가 나타났어요. 정말 감동적입니다!

실험의 팁과 ‘공진’의 신비

이 실험의 원리는 간단하지만, 그 속에 깊은 재미가 숨어 있습니다. 앱을 사용해 스피커에서 특정 저음(낮은 주파수)부터 고음으로 소리를 바꿔가다 보면, 어떤 특정한 높이의 소리가 되는 순간, 갑자기 실이 크게 요동치며 아름다운 파동 모양을 만듭니다. 이것이 물리학에서 말하는 ‘공진(共振)’ 현상이며, 그때 생기는 움직이지 않는 듯한 파동의 형태가 ‘정상파’입니다.

실험 성공의 꿀팁: 갑자기 ‘기본 진동(파동이 1개인 상태)’을 찾는 것은 어렵습니다. 우선 주파수를 조절해서, 3배 진동이나 4배 진동(파동의 마디가 3개 또는 4개 있는 상태)을 먼저 찾아보세요. 이 형태들은 비교적 쉽게 발견할 수 있습니다. 거기서부터 예상 주파수를 계산해 주파수를 낮춰가며, 2배 진동, 그리고 기본 진동에 도전하는 것이 요령입니다. 기본 진동은 소리를 내고 실이 흔들리기 시작한 후에도, 예쁜 모양이 만들어질 때까지 시간이 조금 걸릴 수 있으니, 느긋하게 기다려 보세요!

전문가의 한 수: 저소음 개조 테크닉

얼마 전, 나리카(NARIKA, 일본의 과학 교구 회사 이름)에 가서 현 정상파 관찰 실험 장치(현 정상파 실험 세트)를 직접 볼 기회가 있었습니다. 역시 수제품과는 다르게 파워도 좋고 깨끗한 정상파를 관찰할 수 있었습니다.

진동 장치를 수직으로 세우니, 진동수가 절반으로 줄어드는 것도 흥미로웠습니다. 아마도 멜데의 실험(Melde’s experiment)과 비슷한 현상이 잘 관찰된 것 같습니다. 저도 이것을 따라 해, 제가 직접 만든 다이소 스피커 장치도 진동부를 위로 향하게 하고 자(줄) 등을 대어보니, 좀 더 깨끗한 파동이 나오지 않을까 싶어 시도해 보았더니, 예상대로 깨끗한 정상파가 나타났습니다.

문의 및 의뢰에 관하여

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