스티로폼이 공중에 뜨는 ‘소리의 정체’를 눈으로 보여주는 신기한 장치（쿤트관）
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
소리는 「보이지 않는다」——이렇게 생각하고 있지 않나요? 사실 특정한 조건을 만들어 주면, 소리의 파동은 눈앞에 선명하게 「모습을 드러냅니다」. 쓰쿠바 엑스포 센터를 방문했을 때, 바로 그 순간을 체험할 수 있는 장치를 만났습니다. 관 안에서 발포 스티로폼 알갱이가 살며시 떠오르는 모습. 그 광경은 「소리는 진동이다」라는 사실을 말로 설명하는 것이 아니라, 눈으로 보고 몸으로 느끼며 이해하게 해줍니다.
양쪽이 막힌 관 안에 나타나는 「정상파」란?
이번에 만난 장치는 양쪽 끝이 막힌 관(쿤트 관)이라고 불리는 장치입니다. 양쪽이 닫힌 관 안에 소리를 보내면, 특정한 주파수에서 정상파가 만들어집니다.
정상파란 같은 파동이 서로 오가며 반복되는 과정에서, 특정 위치가 크게 흔들리는 부분(이를 「배」라고 합니다)과 전혀 움직이지 않는 부분(이를 「마디」라고 합니다)이 고정되어 만들어지는 파동입니다. 마치 줄넘기 줄이 크게 물결치며 멈춰 있는 것처럼 보이는 모습과 비슷합니다.
관 안에 미리 작은 발포 스티로폼 알갱이를 넣어두면, 배 부분——즉 공기가 크게 진동하는 위치——에서는 알갱이가 살짝 떠오르고, 마디 부분에서는 알갱이가 그대로 멈춰 있습니다. 그 결과 파동의 「모양」 자체를 눈으로 볼 수 있게 되는 것입니다. 아래 영상에서 그 모습을 확인해 보세요.
주파수를 바꾸면 파동의 모습도 달라진다
이 장치의 더욱 흥미로운 점은 주파수를 바꿀 수 있다는 것입니다. 주파수를 높이면 관 안에 들어가는 파동의 개수가 늘어나고, 그에 따라 배의 개수도 증가합니다. 반대로 주파수를 낮추면 배의 개수가 줄어들어 더욱 단순한 형태가 됩니다.
이것은 「공명」이라는 현상입니다. 관의 길이와 파장이 정확하게 맞을 때만 정상파가 아름답게 나타납니다. 플루트나 리코더 같은 관악기가 특정한 음을 낼 수 있는 것도 바로 이 공명의 원리를 이용하기 때문입니다. 악기의 구멍을 막거나 열면서 「관의 길이」를 바꾸고, 공명하는 주파수——즉 음의 높이——를 조절하는 것입니다.
소리가 「파동」이라는 사실을 눈으로 확인하다
우리가 평소 「소리」라고 듣는 것은 공기의 압력이 미세하게 변하는 종파(밀도파)입니다. 하지만 그 진동은 눈에 보이지 않기 때문에, 「소리는 파동이다」라는 설명을 들어도 쉽게 와닿지 않을 수 있습니다.
쿤트 관 장치는 보이지 않는 파동을 발포 스티로폼이라는 「눈에 보이는 것」으로 바꾸어 보여줍니다. 배의 위치에서는 알갱이가 떠오르고, 마디의 위치에서는 알갱이가 멈춰 있는 모습——이 장면을 한 번 직접 보면 「소리는 진동이다」라는 사실이 교과서 속 글자가 아니라 실제 경험으로 기억됩니다.
쓰쿠바 엑스포 센터에는 이렇게 「과학을 눈으로 느낄 수 있는」 전시물이 많이 있습니다. 근처에 방문할 기회가 있다면 꼭 들러 보세요.
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