그림자가 알려주는 물리의 비밀! 등속 원운동과 단진동의 놀라운 관계

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠.

벽에 비친 그림자가 마치 살아있는 생물처럼 규칙적으로 움직이는 모습, 혹시 그런 ‘그림자 장치’를 보며 설렜던 기억이 있으신가요? 사실 물리 법칙의 세계에서도 그림자는 아주 중요한 역할을 합니다. 이번에는 언뜻 보기엔 전혀 달라 보이는 두 가지 움직임, 바로 ‘빙글빙글 도는 운동’과 ‘위아래로 흔들리는 운동’의 뜻밖의 정체를 그림자의 힘을 빌려 밝혀보려고 합니다.

원과 흔들림을 잇는 신비로운 그림자의 정체

고등학교 물리 수업 시간에 많은 학생이 어려워하는 파트가 바로 단진동이라는 분야입니다. 용수철에 매달린 추각 위아래로 흔들리는, 그 특유의 리듬감 있는 움직임 말이죠.

사실 복잡해 보이는 이 단진동은 등속 원운동의 응용 버전이라고 생각하면 시야가 확 트입니다. 원운동의 회전 속도를 나타내는 ω(각속도)라는 기호가 있는데, 이것이 단진동과 어떻게 연결되는지 머릿속으로만 이해하기란 쉽지 않습니다.

그래서 이번에는 인기 프로그램인 ‘피타고라 스위치’의 그림자 장치에서 힌트를 얻어, 회전하는 공에 옆에서 빛을 비추고 그 그림자를 관찰하는 실험을 준비했습니다. 먼저 아래 영상을 통해 그림자가 만들어내는 신비로운 싱크로율(동조)에 주목해 보세요.

실험 뒷이야기: 준비물

실험 장치는 과학실에 있는 도구들을 아이디어를 내어 조합해 보았습니다.

용수철 2개, 추(100g), 전구, 스탠드, 등속 회전대, 빨간 공, 공 고정용 테이프

도는 것과 흔들리는 것이 겹쳐지는 순간

실험의 핵심은 등속 원운동을 하는 공과 용수철로 위아래 단진동을 하는 추가 나란히 그림자를 만들게 한 것입니다.

위에서 내려다보면 공은 예쁜 원을 그리며 돌고 있습니다.

하지만 옆에서 빛을 비추어 스크린에 비친 그림자를 관찰해 보면 어떨까요?

보이시나요? 원운동의 그림자와 용수철로 흔들리는 추가 마치 보이지 않는 실에 연결된 것처럼 완벽하게 같은 타이밍에 위아래로 움직이는 것을 알 수 있습니다.

이것이 바로 단진동이란 원운동을 바로 옆에서 본 것이다라는 물리 법칙의 핵심입니다. 이 연결 고리를 발견하고 나면, 공식 속에 들어있는 ω가 그림자의 움직임을 지배하는 회전의 고동이라는 사실을 직관적으로 이해할 수 있게 됩니다.

과학실의 감동을 디지털로도 체험하세요!

수업에서는 현장감을 살려 학생들 눈앞에서 직접 시연했습니다. 디지털화가 가속되는 시대일수록 눈앞에서 그림자가 겹쳐지는 순간의 놀라움은 학생들의 기억에 깊이 각인되죠. 이 감동을 더 간편하게, 직접 조작하며 느껴보셨으면 하는 마음에 프로그래밍 도구인 스크래치(Scratch)로 시뮬레이터도 제작했습니다. 아래 화면에서 실제로 조작해 보실 수 있습니다. 원의 움직임이 어떻게 그림자(단진동)로 변하는지 직접 확인해 보세요.

물리는 눈에 보이지 않는 법칙을 찾아내는 학문입니다. 이번처럼 그림자라는 시선을 통해 따로 놀던 현상들이 하나로 이어지는 재미를 조금이라도 느끼셨다면 좋겠습니다.

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３月のイチオシ実験！

• 押し花を作ろう！：梅や桜の花の押し花を作ってみましょう。特別なケースに入れると、長く保存できて、しおりにもなります。

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