메이지 시대의 모형부터 최신 앱까지! 벌의 춤으로 파헤치는 ‘파동’의 정체 (횡파·종파·중첩)
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험의 연속이죠.
파동이라는 현상은 우리 주변 어디에나 존재합니다. 바다의 물결, 소리, 그리고 빛까지 말이죠. 하지만 파동의 정체는 무언가 움직이는 것 같으면서도, 사실 그 자리에 있는 매질이 어떻게 움직이는지 눈으로 포착하기 꽤 까다로운 신비로운 현상입니다.
오늘은 메이지 시대부터 현대의 디지털 교재까지, 파동을 시각화하기 위한 노력의 역사와 그 원리를 깊이 있게 파헤쳐 보겠습니다.
메이지 시대의 지혜, 골드스타인 파동 모형으로 배우는 가시화
이것은 국립과학박물관에 전시되었던 골드스타인 파동 모형입니다. 파동이 전달되는 모습을 기계적인 장치를 통해 눈으로 볼 수 있게 만든 매우 정교한 도구죠.
장치 측면에 있는 핸들을 돌리면 본체 내부의 금속제 나선 구조가 회전합니다. 그러면 나란히 늘어선 구슬 달린 막대들이 아주 조금씩 시차를 두고 위아래로 움직이는데, 이 모습이 마치 파동이 오른쪽으로 전진하는 것처럼 보입니다.
이 ‘조금씩 타이밍을 늦추는 것’이 바로 파동의 본질인 위상(Phase)의 개념입니다. 아쉽게도 전시품이라 직접 돌려볼 수는 없었지만, 이 장치가 메이지 후기에 만들어졌다는 사실이 정말 놀랍습니다. 당시 선생님들도 눈에 보이지 않는 파동의 움직임을 학생들에게 어떻게 전달할지 얼마나 고심하고 노력했는지 고스란히 느껴지네요.
디지털 교재로 도전! 꿀벌의 움직임으로 보는 횡파와 종파
현대에는 컴퓨터를 활용해 파동을 더욱 자유롭게 표현할 수 있습니다. 저는 스크래치(Scratch)를 이용해 횡파와 종파의 차이를 꿀벌의 움직임으로 재현한 디지털 교재를 만들어 보았습니다.
꿀벌이 알려주는 횡파의 정체
먼저 우리가 흔히 떠올리는 물결 모양의 파동, 횡파입니다.
수많은 꿀벌이 줄지어 있는데, 개별 꿀벌 한 마리에 집중해 보세요. 벌들은 그저 위아래로만 진동하고 있을 뿐입니다. 하지만 옆에 있는 벌이 움직이는 타이밍을 아주 조금씩 늦추면, 전체적으로는 파동의 형태가 오른쪽으로 전달되는 것처럼 보입니다.
https://scratch.mit.edu/projects/205914073/
찰나의 정지로 이해하는 종파의 원리
다음은 음파 등이 해당되는 종파(소밀파)입니다.
종파는 진행 방향과 같은 방향으로 매질이 흔들리기 때문에 눈으로 구분하기가 정말 어렵다는 단점이 있습니다. 그래서 이 교재에서는 매질 역할을 하는 꿀벌이 오른쪽으로 치우칠 때는 오른쪽을 보고, 왼쪽으로 치우칠 때는 왼쪽을 보도록 설계했습니다.
정지 버튼으로 움직임을 멈춰보면 확연히 드러납니다. 오른쪽을 보는 벌들이 밀집한 곳과 왼쪽을 보는 벌들이 멀어지는 곳… 이것이 바로 밀(密)과 소(疎)의 상태입니다. 더불어 종파를 횡파처럼 변환해서 보여주는 버튼도 추가했습니다. 수학적 처리(사상)를 통해 복잡한 종파도 시각적으로 정리해서 쉽게 이해할 수 있습니다.
영상으로 확인하는 파동의 신기한 성질
시뮬레이션뿐만 아니라 실제 현상을 관찰하는 것도 중요합니다. 파동에는 벽에 부딪혀 되돌아오는 반사나 서로 겹쳐지는 간섭 등 흥미로운 성질이 많습니다. 다양한 실험 영상을 통해 파동의 세계를 더 깊이 탐험해 봅시다.
자유단 반사
끝부분이 고정되지 않고 자유롭게 움직일 때 파동이 반사되는 모습입니다.
고정단 반사
벽에 단단히 고정된 끝부분에서 파동이 튕겨 나오는 모습입니다. 파동의 모양이 거꾸로 뒤집히는 것을 볼 수 있습니다.
중첩의 원리
두 파동이 만났을 때 사라지거나 더 커지는 신기한 현상입니다.
종파와 횡파
슬링키(용수철)를 이용해 실제 파동의 움직임을 비교합니다.
종파와 오실로스코프
눈에 보이지 않는 소리의 파동(종파)을 화면에 파형으로 띄워 봅니다.
맥놀이(Beats)
높이가 미세하게 다른 두 소리가 겹칠 때 들리는 웅웅거리는 현상입니다.
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