태풍 파도가 갑자기 2배로 커지는 이유 파동 반사「자유단・고정단」의 신비 【스마트폰으로 물리 #10】
사이언스트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
태풍이 몰아치는 날, “와, 파도가 엄청나다!” 하며 바닷가에 가까이 갔다가 갑자기 큰 파도에 휩쓸리는 사고 뉴스를 본 적이 있나요? 사실 이런 사고에는 파동이 가진 특별한 성질이 깊게 관련되어 있습니다. 바로 눈으로 보기보다 훨씬 더 큰 파도가 순간적으로 만들어질 수 있다는 점입니다. 오늘은 ‘파동의 반사’라는 현상을 통해 그 신비로움과 위험성을 함께 알아보겠습니다.
파동의 중첩, 다시 한번 복습!
#09에서는 파동의 중첩에 대해 살펴보았습니다. 두 개의 파동이 만나면 위아래 방향의 변위가 서로 더해지거나 빼진다는 내용이었죠.
예) 마루와 마루가 겹친 경우
이번에는 파동의 세 번째 특징인 ‘반사’에 대해 알아보겠습니다.
돌과 파동, 벽에 부딪히면 어떻게 다를까?
돌(물체)을 벽에 던지면 어떻게 될까요? 돌은 벽에 부딪혀 “쿵!” 소리를 내고 벽 아래로 떨어집니다. 경우에 따라서는 깨져 버릴 수도 있겠죠.
그렇다면 물체가 아니라 ‘파동’을 벽에 보내면 어떻게 될까요? 예를 들어 욕조에서 물결을 일으켜 벽 쪽으로 보내 봅시다.
욕조 물을 향해 손날치기! 물결을 만들어 보자
파동이 벽에 닿으면… 놀랍게도 아무 일도 없었던 것처럼 같은 속도로 되돌아옵니다. 이것을 파동의 반사라고 합니다.
빨간 선은 파면, 파란 선은 진행 방향
파동은 돌처럼 벽에 부딪혀 부서지거나 사라지지 않습니다. 물론 실제로는 조금씩 진폭이 줄어들면서 에너지를 잃지만, 기본적으로는 되돌아옵니다.
“고무공도 벽에 튕기잖아?”라고 생각할 수도 있습니다. 하지만 파동에는 물체와 결정적으로 다른 점이 있습니다. 바로 반사가 두 종류이며, 어떤 경우에는 완전히 다른 모습으로 돌아온다는 것입니다.
갈 때와 올 때가 다른 사람이 된다!?
그럼 두 가지 반사를 차례대로 살펴보겠습니다.
① 원래 모습 그대로 돌아오는 ‘자유단 반사’
벽에 닿기 전의 파동을 입사파, 반사되어 돌아오는 파동을 반사파라고 합니다.
욕조의 물결처럼 마루는 마루로, 골은 골로 돌아오는 반사를 자유단 반사라고 합니다. 즉, 위상이 바뀌지 않은 채 반사되는 것이죠.
자유단 반사의 모습을 영상으로 확인해 봅시다.
어떤가요? 파동의 형태가 그대로 유지된 채 되돌아오는 것을 볼 수 있습니다.
자유단 반사를 만들기 위한 핵심은 반사되는 지점이 자유롭게 움직일 수 있어야 한다는 것입니다.
잘 보이지 않지만 끈이 연결되어 있습니다.
이렇게 하면 끈 끝이 위아래로 자유롭게 움직일 수 있어 자유단 반사를 관찰할 수 있습니다. 시뮬레이션으로도 살펴봅시다.
자유단 반사의 또 다른 중요한 특징은 반사면에서 진폭이 매우 커진다는 점입니다.
파동의 진폭이 A[m]라면 반사면에서의 최대 진폭은 무려 2A[m], 즉 두 배가 됩니다.
이제 처음 이야기로 돌아가 봅시다.
태풍이 오는 날 방파제나 해안가에 가까이 가면 위험한 이유도 여기에 있습니다. 먼바다에서 온 파도가 방파제나 해안 구조물에 반사될 때, 입사파와 반사파가 겹쳐지면서 눈에 보이는 것보다 훨씬 높은 파도가 갑자기 형성될 수 있기 때문입니다.
“방금 전까지는 괜찮았는데…”라는 방심이 큰 사고로 이어질 수 있습니다. 물리학 지식이 곧 안전과 연결되는 대표적인 사례라고 할 수 있죠.
② 모습이 뒤집혀 돌아오는 ‘고정단 반사’
이번에는 끝을 단단히 고정해 움직이지 못하게 해 보겠습니다.
자유단 반사에서는 끈 끝이 자유롭게 움직였지만,
다음 사진처럼 끝을 직접 고정해 버립니다.
끈을 묶는 것이 아니라 끝 자체를 스탠드에 고정합니다.
이 상태에서의 실험 영상을 보겠습니다.
놀랍게도 ‘마루’를 보내면 ‘골’이 되어 돌아옵니다.
반대로 골을 보내면 마루가 되어 돌아옵니다.
자유단 반사와 고정단 반사의 차이를 시뮬레이션으로도 비교해 봅시다.
※ 도쿄서적의 디지털 교과서 부속 디지털 자료를 활용했습니다.
이처럼 위상이 180° 뒤집혀 반사되는 현상을 고정단 반사라고 합니다.
완전히 반대 모습으로 돌아왔다!
또한 고정단 반사에서는 반사면에 주목하면 순간적으로 진폭이 0이 된다는 특징도 있습니다.
이는 반사 지점의 매질이 고정되어 움직일 수 없기 때문에 변위가 생길 수 없기 때문입니다. 자유단 반사와는 정반대의 특징이라고 할 수 있죠.
두 종류의 반사, 어디에 활용될까?
자유단 반사와 고정단 반사의 차이는 사실 소리의 세계에서도 등장합니다. 관악기에서 ‘개관(open pipe)’과 ‘폐관(closed pipe)’이 각각 자유단과 고정단에 대응하며, 악기의 음색과 음높이를 결정하는 중요한 역할을 합니다.
즉, 파동의 반사를 이해하는 것은 음악이 만들어지는 원리를 이해하는 것과도 연결되어 있는 셈입니다.
다음 시간에는 이 두 종류의 반사를 더욱 깊이 있게 해석해 보겠습니다. 기대해 주세요!
다음 편에서 계속됩니다.
#03-1 다섯 가지 물리량
#03-2 확인 문제 파동의 물리량과 그래프
#06-1 횡파를 종파로 다시 바꿔 보자!
#06-2 확인 문제 움직이지 않는 매질은 어느 것일까!?
#07 파동의 아이들 ‘소원파’
#08 소원파로 회절을 생각해 보자!
#09 파동의 중첩 원리
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