구급차 사이렌이 변하는 순간! 스마트폰으로 즐기는 놀라운 과학 실험 (도플러 효과)
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 즐거운 실험실!
“삐뽀삐뽀!” 활기차게 다가오던 구급차가 내 앞을 지나치는 순간, 갑자기 “뻬뽀뻬뽀…” 하고 힘이 빠진 듯 낮은 소리로 변하는 것을 느껴본 적 있으신가요?
마치 구급차가 갑자기 의욕을 잃어버린 것 같지만, 사실 이것은 소리의 본질인 파동이 만들어내는 역동적인 물리 현상입니다. 오늘은 우리 주변의 신기한 과학, 도플러 효과를 집에서 스마트폰 하나로 직접 체험해 볼 수 있는 설레는 실험 가이드를 소개해 드릴게요!
소리의 신비 탐구! 집에서 즐기는 도플러 효과 실험 가이드
도플러 효과란 소리를 내는 물체(음원)가 움직임에 따라 들리는 소리의 높낮이가 변하는 현상을 말합니다.
소리는 공기의 떨림, 즉 ‘파동’을 통해 전달됩니다. 음원이 나에게 다가올 때는 뒤에서 오는 소리가 앞의 파동을 뒤쫓아가기 때문에 소리 파동의 간격이 촘촘하게 좁아집니다(파장이 짧아짐). 반대로 멀어질 때는 파동이 뒤에 남겨지듯 길게 늘어납니다(파장이 길어짐).
우리의 귀는 파동의 간격이 좁으면 높은 소리, 넓으면 낮은 소리로 인식합니다. 즉, 구급차의 소리 변화는 소리 자체가 바뀐 것이 아니라, 우리 귀에 도달하는 ‘파동의 압축 정도’가 변했다는 증거인 셈이죠.
먼저 아래 영상을 통해 그 변화를 직접 들어보세요. 기차 안과 밖에서 들리는 건널목 소리의 차이에 주목해 보세요!
그리고 실제 구급차가 지나갈 때 소리가 어떻게 변하는지는 여기서 확인할 수 있습니다.
어떠신가요? 사이렌 소리가 툭 떨어지는 지점이 확실히 느껴지시죠?
애니메이션으로 확인하자! 파동이 압축되는 원리
“왜 움직이는 것만으로 파동이 좁아질까?”라는 궁금증을 시각적으로 해결하기 위해, 프로그래밍 학습 도구인 **스크래치(Scratch)**로 교재를 만들어 보았습니다. 구급차가 달리면서 음파를 내보내는 모습을 단면도로 살펴볼 수 있어요. 아래 링크나 임베드 화면을 통해 직접 음원을 움직여보며 ‘파동의 밀도’ 변화를 확인해 보세요. 여기에서 테스트해 볼 수 있습니다.
https://youtu.be/ops5QOlARcA
음원이 멈춰 있을 때는 파동의 원이 어디서 보든 일정한 간격입니다.
하지만 음원이 왼쪽으로 움직이면, 진행 방향에서는 계속해서 나오는 파동이 앞쪽으로 밀려들면서 간격이 짧아집니다.
반대로 오른쪽으로 움직이는 모습을 보면, 뒤쪽에서는 파동이 점점 멀어지며 간격이 넓어지는 것을 알 수 있습니다.
이러한 직관적인 이해가 바로 물리를 즐겁게 배우는 첫걸음입니다. 그럼 이제 스마트폰을 활용한 실전 편에 도전해 볼까요?
과학 레시피: 스마트폰으로 도플러 효과 체감하기!
학교 과학실에는 ‘도플러 효과 실험용 소리굽쇠’라는 전용 도구가 있지만 사실 꽤 고가입니다. 하지만 걱정 마세요! 여러분의 주머니 속에 있는 스마트폰이 훌륭한 실험 도구가 되어줄 테니까요.
도플러 효과를 뚜렷하게 느끼는 비결은 어느 정도 높은 소리를 사용하는 것입니다. 그래서 높은 주파수의 소리를 자유롭게 낼 수 있는 앱을 활용해 보겠습니다.
준비물
스마트폰 (iPhone 등)
톤 제너레이터(Tone Generator) 앱 (2000Hz 정도의 소리를 낼 수 있는 것)
실험 순서
앱을 실행하고 주파수를 1000Hz로 설정하여 소리를 냅니다. “삐~” 하는 높은음이 들립니다.
스마트폰을 손에 들고, 다른 사람에게 내 정면에 서 달라고 부탁합니다.
그 자리에서 스마트폰을 상대방을 향해 앞뒤로 빠르게 휘둘러보세요.
실제로 스마트폰을 움직여 본 영상입니다.
어떠신가요? 스마트폰을 움직일 때마다 소리가 “우왕우왕”하며 일렁이듯 변하는 게 느껴지시죠? 이것은 소리의 크기가 아니라 **소리의 높이(주파수)**가 변하고 있는 것입니다.
혹시 과학실이나 집에 회전 테이블(TV 받침대 등)이 있다면, 그 위에 스마트폰을 올려놓고 돌려보는 것도 재미있습니다. 더 연속적인 소리의 변화를 즐길 수 있거든요.
실험 포인트 및 마무리
이 실험의 묘미는 평소 무심코 듣던 현상을 ‘내 손으로 직접 만들어낼 수 있다’는 점에 있습니다. 스마트폰이 다가올 때는 소리가 높아지고, 멀어질 때는 낮아진다! 이 단순한 원리가 우주 관측(멀리 있는 은하가 우리로부터 멀어지고 있음을 알아내는 방법 등)에도 응용된다는 사실, 정말 놀랍지 않나요? 실험 중에는 스마트폰을 꼭 쥐고, 주변 사람이나 물건에 부딪히지 않도록 주의해 주세요!
이 실험은 저의 저서 『고교 물리 복습장』에서도 상세히 다루고 있습니다. 이 특별 페이지도 꼭 함께 확인해 보세요.
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