अदृश्य ‘‘ध्वनि के आकार’’ को देखें! टैबलेट और पानी से किया गया रहस्यमय अनुनाद प्रयोग (वायु स्तंभ अनुनाद)

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.

‘소리’는 눈에 보이지 않습니다. 하지만 그 보이지 않는 소리의 파동을 계산과 실험으로 정확하게 포착할 수 있다면, 꽤 감동적이지 않을까요? 이번에는 최신 태블릿 단말기와 옛날 방식인 물과 파이프를 이용한 실험을 결합하여, 소리의 속도와 파동의 형태를 밝혀내는 ‘기주 공명(氣柱共鳴)’ 수업을 소개합니다. 보이지 않는 ‘공기의 진동’을 머릿속으로 상상하며 읽어보세요.

태블릿 X 아날로그 실험으로 ‘소리’를 시각화하다

나리카 사이언스 아카데미에서는 과학 실험 중에 태블릿을 활용한 실험을 적극적으로 소개하고 있습니다. 어제는 아크릴 파이프와 태블릿을 이용한 ‘기주 공명’ 실험을 진행했습니다. 이 실험의 원리는 단순하지만, 그 깊이가 상당합니다. 아크릴 파이프 안에 태블릿의 발진 앱을 사용하여 정확한 주파수의 소리를 계속해서 냅니다. 그리고 파이프 아래에 연결된 물통을 위아래로 움직여 파이프 내부의 수면(닫힌 관의 길이)을 변화시킵니다.

그러면 특정 깊이가 된 순간에만 “와앙!” 하고 갑자기 소리가 커지는 지점을 발견하게 됩니다. 이것이 바로 **공명(共鳴)**입니다.

소리의 ‘마디’와 ‘배’를 찾아라!

소리를 잘 들어보면, 소리가 커지는 지점이 여러 군데 발견됩니다. 길이를 다양하게 바꾸면서 그때의 닫힌 관의 길이를 측정합니다.

이때, 파이프 안에서는 **정재파(定常波)**라는, 마치 파동이 멈춰 있는 것처럼 보이는 현상이 일어나고 있습니다. 소리가 커지는 지점을 찾는다는 것은, 공기의 진동이 가장 활발한 곳(‘배’)을 찾아내는 것과 같죠. 이 실험에서는 공명이 일어나는 두 닫힌 관 길이의 차이로부터 음속을 구할 수 있습니다.

【퀴즈】 공기는 파이프 밖으로 살짝 튀어나와 있을까? ‘개구 단면 보정’의 수수께끼

자, 여기서 잠깐 물리학 퍼즐을 풀어봅시다. 이 실험을 하다 보면, ‘계산된 파동의 길이’와 ‘실제 파이프의 길이’가 미묘하게 일치하지 않는 현상에 부딪히게 됩니다.

어떤 조가 공명 실험을 했을 때, 관 입구로부터 0.415m 지점에서 공명이 일어났습니다. 또한, 공명이 일어나는 두 지점 사이(반파장)를 측정하고 이를 계산한 결과, 파장이 0.34m인 것을 알아냈습니다.

이를 통해 관 내부에 어떤 정재파가 발생하고 있는지 추측하고, 개구 단면 보정(開口端補正) 값을 구해봅니다.

＜힌트＞ 파장이 0.34m라는 것은, 기본 진동(1/4 파장)의 길이가 0.34 ÷ 4 = 0.085m입니다. 이번 공명점인 0.415m는 0.085m의 약 5배(0.425m)에 가까운 숫자이죠. 즉, 5배 진동(세 번째 공명점)이 일어나고 있다고 볼 수 있습니다.

하지만 계산상의 0.425m에 비해 실제로는 0.415m 밖에 되지 않습니다. 바로 이 차이가 **소리가 파이프 출구에서 아주 조금 바깥쪽으로 튀어나와 진동하고 있는 부분(개구 단면 보정)**입니다.

0.425m － 0.415m ＝ ？？？

자, 정답은 몇 cm일까요? (정답은 1cm입니다!) 이처럼 실험값과 이론값을 결합하여 눈에 보이지 않는 공기의 ‘돌출’까지 측정해 낼 수 있다는 것이 물리 실험의 묘미입니다.

문의 및 의뢰에 대하여

과학의 신비함과 재미를 더 가까이에서! 집에서 할 수 있는 즐거운 과학 실험과 그 노하우를 알기 쉽게 정리해 두었습니다. 이것저것 검색해 보세요! ・과학 자료의 내용이 책으로 출간되었습니다. 자세한 내용은 여기를 참고해 주세요. ・운영자 쿠와코 켄에 대해서는 여기 ・각종 의뢰(집필, 강연, 실험 교실, TV 자문 및 출연 등)는 여기 ・기사 업데이트 정보는 X에서 배포 중!

과학 자료 채널에서 실험 영상을 제공하고 있습니다!