400원으로 정상파를 눈으로 확인！스피커와 iPad로 만드는 초간단 현의 진동 실험
사이언스트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
기타 줄은 왜 저런 모양으로 진동할까?
기타를 힘차게 튕기면 줄은 과연 어떻게 움직일까요? 사실 줄은 단순히 좌우로 흔들리는 것이 아닙니다. 특정한 주파수에서는 마치 파동이 멈춰 있는 것처럼 보이는 신기한 현상이 나타납니다. 이것을 정상파(정재파)라고 합니다. 음악과 물리가 만나는 이 흥미로운 현상을 이번에는 무려 400엔 정도의 스피커와 iPad만으로 눈으로 볼 수 있게 재현해 보겠습니다!
영상을 보면 정상파가 아주 선명하게 보일 것입니다. 오늘은 이 장치를 만드는 방법을 소개해 드리겠습니다. 재료비도 몇 백 엔 정도밖에 들지 않고 제작도 간단하니 꼭 한 번 도전해 보세요.
정상파란 무엇일까?
만드는 방법을 알아보기 전에 잠깐 과학 이야기를 해보겠습니다. 줄에 파동을 보내면 양 끝에서 반사된 파동과 원래의 파동이 서로 겹쳐집니다. 이때 특정 조건이 만족되면 파동이 마치 멈춘 것처럼 보이는 상태가 됩니다. 이것이 바로 정상파입니다. 배(진폭이 크게 나타나는 부분)와 절(전혀 움직이지 않는 부분)이 규칙적으로 배열된 모습은 마치 파동이 얼어붙은 것처럼 아름답습니다. 기타나 바이올린 같은 현악기가 풍부한 소리를 낼 수 있는 것도 바로 이러한 정상파의 성질을 활용하기 때문입니다.
준비물
스피커, iPad, USB 전원, 가위, 커터칼, 문어줄(직경 1.4mm 정도 추천)
이번에 사용한 스피커는 아래 제품입니다.
iBUFFALO 스피커 USB 연결형, 콘센트 불필요, 1W, 화이트
다이소에서 판매하는 300엔 스피커로도 충분히 가능합니다. 제작 방법도 거의 동일합니다.
만드는 방법
1단계: 커버 제거하기
먼저 스피커 앞면의 커버를 분리합니다. 손으로 힘껏 잡아당기면 비교적 쉽게 분리됩니다.
2단계: 콘 진동판 제거하기
다음으로 스피커 콘(소리를 내는 진동판)에 붙어 있는 막을 제거합니다. 커터칼로 먼저 칼집을 낸 뒤 손으로 조금씩 뜯어내면 됩니다. 좌우(L, R) 모두 같은 방식으로 작업해 주세요.
이 과정이 가장 중요합니다. 원래 스피커는 콘이 공기를 진동시켜 소리를 내지만, 콘을 제거하면 진동 에너지가 공기 대신 문어줄에 직접 전달됩니다.
커터칼로 먼저 칼집을 냅니다.
손으로 조금씩 뜯어내 주세요.
이런 모습이 되면 성공입니다. 전선은 절대 자르지 마세요!
3단계: 문어줄을 걸면 완성!
진동하는 부분에 문어줄을 걸어주면 완성입니다.
문어줄은 100엔 숍에서 구입할 수 있습니다. 직경 1.4mm 정도가 가장 적당합니다.
완성 모습은 이런 느낌입니다.
사용 방법: iPad로 주파수를 자유롭게 조절하기
이제 iPad에서 소리를 출력해 스피커로 보내기만 하면 됩니다. 콘이 없기 때문에 소리는 거의 나지 않지만, 문어줄은 놀라울 정도로 선명하게 진동합니다.
주파수를 조금씩 바꾸다 보면 어느 순간 문어줄이 갑자기 정상파 모양을 만들어 냅니다.
그 순간의 “어?!” 하는 놀라움이야말로 이 실험의 가장 큰 매력입니다. USB 전원은 스피커 전원 공급용으로 사용하며, 이것 역시 100엔 숍에서 쉽게 구할 수 있습니다.
전체 구성은 이런 모습입니다.
아래 사진은 실제로 정상파가 만들어진 상태입니다.
소리의 주파수는 AFG라는 앱을 이용해 자유롭게 조절할 수 있습니다. AFG에 대한 자세한 내용은 아래 글을 참고해 주세요.
理科実験の頼れる相棒！簡単操作で周波数を自由自在に設定できる無料アプリ『Audio Function Generator』（AfG）
나리카의 저주파 발진 앱 CR-WEB도 매우 편리하게 사용할 수 있습니다.
아날로그와 디지털 사이에서 만나는 감동
ICT 활용이라고 하면 디지털 기기만으로 모든 것이 이루어진다고 생각하기 쉽습니다. 하지만 이번 실험처럼 디지털 기술로 주파수를 정밀하게 조절하면서도, 아날로그인 실이 눈앞에서 아름답게 진동하는 모습을 직접 보는 경험은 학생들에게 훨씬 더 깊은 감동을 줍니다.
정상파는 교과서 그림으로도 배울 수 있습니다. 하지만 실제로 눈앞에서 실이 물결치며 움직이는 모습을 보고 “아, 이게 바로 파동이구나!” 하고 깨닫는 순간의 감동은 전혀 다릅니다. 꼭 한 번 체험해 보시길 바랍니다.
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バカリズムのちょっとバカりハカってみた！」（テレビ東京）を科学監修・出演します。テーマは「 そばの出前は何人前まで運べるのか、限界を測ってみた」です。 - ６月４日(木) 7:00〜 「THE突破ファイル」（日本テレビ）について科学監修しました。
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