물 위에 떠오른 비밀의 선! 돌 두 개로 찾는 파동의 마법진 (파동 간섭 무늬 관찰)
안녕하세요! 사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 흥미진진한 실험이죠.
반짝이는 강물이나 비 온 뒤의 웅덩이… 평소 아무생각 없이 바라보던 풍경 속에 사실은 특별한 기하학적 무늬가 숨어있다면 믿으시겠어요? 우리가 사는 세상은 눈에 보이지 않는 ‘수학적 규칙’에 의해 아름답게 디자인되어 있답니다. 오늘은 일상 속에 숨겨진 ‘파동의 장난’을 파헤쳐 보는 놀라운 실험을 소개해 드릴게요.
자연이 그린 캔버스를 관찰해 봅시다
실제로 파동이 어떤 모습인지 함께 관찰해 볼까요? 보통 바다의 파도는 해안가로 갈수록 수심이 얕아지기 때문에, 뒤에 오던 파도가 앞의 파도를 앞지르려다 모양이 일그러지는 등 사실 매우 복잡한 상태입니다.
그래서 우선 국립과학박물관에 있는 ‘파동 발생 장치’를 통해 순수한 파동의 움직임을 살펴보겠습니다. 일정한 리듬으로 만들어진 파동이 얼마나 규칙적으로 퍼져 나가는지 한눈에 알 수 있습니다.
파동이 매끄럽게 움직이다가 끝부분에서 반사되어 돌아오는 모습이 보이시죠? 이것이 바로 1차원적인 파동의 모습입니다.
자연이 그리는 기하학적 무늬, 파동의 간섭
다음으로 수면에 퍼지는 파동의 움직임, 즉 2차원적인 모습을 살펴보겠습니다. 파동이 서로 겹치면서 간섭 무늬라는 것이 나타나는데요. 이것을 함께 관찰해 보죠. 아래 영상을 확인해 주세요. 조금 보기 어려울 수도 있지만, 화면을 뚫어지게 한번 쳐다봐 보세요. 수면 위에 파동이 서로 상쇄되어 잔잔해진 ‘줄기’ 같은 것이 보이지 않나요?
이것이 바로 물리학에서 상쇄 간섭의 쌍곡선이라 부르는 라인입니다. 두 파동이 만날 때, 마루(높은 곳)와 골(낮은 곳)이 딱 겹치는 지점에서는 파동이 서로를 지워버려 수면이 움직이지 않게 됩니다. 그 움직이지 않는 점들이 이어지면서 아름다운 곡선을 그려내는 것이죠.
100엔 숍 아이템으로 과학의 눈을 갖다
이 신기한 무늬를 더 확실하게 보고 싶어! 그런 생각에 저는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 물건으로 실험 장치를 직접 만들어 보기로 했습니다.
재료는 놀랍게도 바로 이 두피 마사지기입니다!
Head wave bar라는 제품 (300엔 숍에서 구입했습니다)
스위치를 켜면 모터의 진동으로 5개의 다리가 잘게 떨립니다. “이걸 쓰면 동시에 여러 개의 파동을 만들 수 있겠는데?”라는 번뜩이는 아이디어가 떠오른 저는, 곧장 집으로 돌아와 니퍼로 다리 3개를 잘라내고 두 개의 파원만 남도록 개조했습니다.
그리고 떨리는 다리 끝을 살며시 수면에 대어 보았더니…
와, 이거 정말 대박인데요!!
이 영상을 한번 보세요. 개조한 마사지기가 만들어내는 완벽에 가까운 간섭 무늬를 아주 또렷하게 확인할 수 있습니다.
물리라고 하면 어려운 수식이 가득한 교과서부터 떠올라 거부감이 들 수도 있습니다. 하지만 원리는 정말 간단해요. 두 파동이 부딪히면 서로 합쳐져 커지기도 하고, 서로 부딪혀 사라지기도 한다. 단지 그뿐입니다. 예전에 제가 강가에서 학생들과 함께 파동의 모습을 촬영했을 때의 일입니다. 교과서 속 이야기로만 알았던 현상이 눈앞의 자연에서 갑자기 모습을 드러낸 순간, 학생들의 눈이 반짝이던 그 찰나를 저는 잊을 수 없습니다.
여러분도 다음에 강이나 연못에 가신다면 꼭 한번 도전해 보세요. 방법은 아주 간단합니다. 수면을 향해 두 개의 돌을 동시에 퐁당! 하고 던져보는 것이죠. 두 곳에서 퍼져 나간 원형의 파동이 만날 때, 그곳에 떠오르는 신비한 줄무늬를 발견하실 수 있을 거예요. 사실 이런 일상 속에 숨겨진 수학적 신비를 찾아내는 데는 어른보다 아이들이 훨씬 뛰어납니다. 선입견 없는 맑은 눈에는 세상을 만드는 규칙이 그대로 비치는 걸지도 모르겠네요.
더 알고 싶다면? 일상에 숨어있는 수학과 과학의 세계
만약 이 현상에 가슴이 설레고 또 다른 신비함도 찾고 싶어졌다면, 일상에 숨어있는 수리 곡선(日常にひそむ数理曲線) DVD-Book을 강력 추천합니다!
해바라기 씨의 배열이나 분수가 그리는 곡선 등 우리 주변 자연 속에 숨겨진 과학의 비밀이 가득 담겨 있습니다. “세상이 이렇게나 아름답게 계산되어 있었다니!”라며 감동하게 될 거예요. 관심 있는 분들은 꼭 한번 살펴보세요!
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