평범한 물건이 마법 지팡이로? 자전거 로프와 고무 호스로 ‘거대한 파동’을 잡아라!

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험.

여러분은 눈에 보이지 않는 파동의 정체를 직접 만들어 본 적이 있나요? 기타 줄이 떨리는 모습이나 욕조의 물결처럼 우리 주변에는 수많은 파동이 넘실거리고 있습니다. 하지만 그 자리에 멈춰 서 있는 것처럼 보이는 신기한 파동, 정상파(定常波)를 거대한 스케일로 관찰하면 놀라울 정도로 역동적이고 아름답답니다! 오늘은 천원숍의 아이디어 상품이나 홈센터에서 파는 호스를 이용해 거대한 파동을 붙잡는 실험을 소개해 드리겠습니다. 과학실뿐만 아니라 집이나 마당에서도 할 수 있는 과학의 마법을 함께 체험해 보시죠.

천원숍 고무줄로 도전! 3차원으로 춤추는 파동

가장 먼저 소개해 드릴 것은 자전거 짐받이용 고무줄을 이용한 실험입니다. 3미터 정도 길이의 제품을 천원숍에서 쉽게 구할 수 있는데, 이것이 사실은 아주 훌륭한 실험 도구가 됩니다. 방법은 간단합니다. 두 사람이 줄의 양 끝을 잡고, 한쪽에서 타이밍에 맞춰 위아래(또는 좌우)로 흔들기만 하면 됩니다. 물리학적으로 설명하면, 내가 보낸 파동과 상대방 쪽에서 되돌아온 파동이 부딪히고 겹쳐지면서 정상파가 만들어지는 것이죠. 처음에는 천천히 흔들어서 파동의 부푼 부분인 배(antinode)를 하나 만듭니다. 거기서 흔드는 속도를 높여가면 배가 두 개, 세 개로 늘어나는 것을 확인할 수 있습니다. 일반적인 용수철 실험과 달리 고무줄은 전체가 꼬이듯이 회전하기 쉽기 때문에, 마치 진화한 줄넘기 같은 3차원적인 정상파를 관찰할 수 있다는 점이 흥미로운 포인트입니다. 배를 네 개나 만드는 데는 상당한 기술이 필요하지만, 여러분도 꼭 도전해 보세요!

투명 호스가 거대한 악기로? 모래가 알려주는 파동의 비밀

다음으로 소개해 드릴 것은 홈센터에서 파는 투명 비닐 호스를 이용한 실험입니다. 어릴 적 마당에서 호스로 물을 뿌릴 때, 호스의 움직임이 재밌다고 느껴본 적 없으신가요? 사실 이 호스에 어떤 한 가지 아이디어를 더하면 놀라울 정도로 예쁜 정상파를 볼 수 있게 됩니다. 그 비결은 바로 호스 안에 모래를 채우는 것입니다.

비어 있는 호스를 흔들면 파동이 금방 사라져 버리지만, 모래를 채워 선밀도(1미터당 무게)를 높이면 관성의 영향으로 파동이 전달되는 모습이 또렷하게 보이게 됩니다. 모래를 채운 호스를 천장에 매달고 힘차게 흔들어 보면… 아래 영상을 확인해 보세요!

어떠신가요? 공중에서 호스가 멈춰 있는 것처럼 보이는 순간이 있죠? 이것이 바로 정상파의 정체입니다.

왜 모래를 채우면 잘 될까? 물리 법칙과의 연결

파동이 전달되는 속도 v는 줄(호스)을 당기는 힘 S와 1미터당 무게 ρ를 이용해 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있습니다.

즉, 모래를 채워 무게를 늘리면 파동이 전달되는 속도가 느려져서 우리 눈으로 관찰하기 훨씬 쉬워집니다. 주변에 있는 물건을 조금 무겁게 만드는 것만으로도 과학의 법칙을 훨씬 가깝게 느낄 수 있게 되죠. 일상 속에 있는 고무줄이나 호스도 시선을 살짝만 바꾸면 훌륭한 물리 실험실로 변신합니다. 여러분도 자신만의 거대한 파동을 탐구해 보세요!

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