건드리지 않았는데 울린다!? 소리굽쇠가 알려주는 ‘공진’의 신비와 건물이 흔들리는 이유
사이언스 트레이너 구와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
여기 서로 마주 보게 놓인 두 개의 소리굽쇠가 있습니다. 이 중 한쪽만 가볍게 쳐서 소리를 낸 뒤, 곧바로 손으로 눌러 소리를 멈춰 봅니다.
분명 조용해져야 할 텐데, 이상하게도 소리가 계속 들립니다. 이 신기한 현상 뒤에는 지진이 고층 빌딩을 흔드는 것과 똑같은 물리 원리가 숨어 있습니다. 먼저 아래 영상을 확인해 보세요.
소리굽쇠가 “대답”하는 신기한 현상
같은 진동수를 내는 두 개의 소리굽쇠를 준비합니다. 한쪽을 쳐서 소리를 낸 뒤 손으로 눌러 멈춥니다. 그러면 놀랍게도 다른 쪽 소리굽쇠가 스스로 진동하며 소리를 내기 시작합니다. 직접 건드린 적도 없는데 말이죠.
그런데 다른 소리굽쇠에 작은 추를 달아 고유진동수를 조금 바꿔 놓으면 같은 실험을 해도 아무 일도 일어나지 않습니다. 마치 말을 걸었는데 상대가 듣지 못하는 것처럼 보입니다.
고유진동수란 무엇일까?
이 현상을 이해하는 핵심은 고유진동수입니다. 모든 물체는 저마다 “가장 쉽게 흔들리는 진동수”를 가지고 있습니다.
그네를 떠올려 보세요. 길이가 같은 그네는 밀어 주는 타이밍이 맞을수록 작은 힘만으로도 점점 크게 흔들립니다. 반대로 타이밍이 어긋나면 아무리 힘을 줘도 크게 흔들리지 않습니다.
이처럼 그네가 가장 잘 흔들리는 진동수가 바로 고유진동수입니다. 소리굽쇠도 마찬가지입니다. 한쪽 소리굽쇠를 치면 공기가 진동하며 음파가 전달됩니다. 그리고 그 음파의 진동수가 다른 소리굽쇠의 고유진동수와 정확히 일치할 때 에너지가 매우 효율적으로 전달되어, 건드리지 않았는데도 진동하기 시작합니다.
이 현상을 공진(공명)이라고 합니다.
공진은 우리 주변 곳곳에 있다
공진은 실험실에서만 볼 수 있는 특별한 현상이 아닙니다. 예를 들어 욕실이나 샤워실에서 노래를 부르면 유난히 목소리가 잘 울려 퍼지는 것도 공진과 관련이 있습니다. 공간의 크기와 형태에 따라 잘 울리는 음높이가 정해져 있는데, 그 음에 가까운 소리를 내면 소리가 서로 겹치면서 더 크게 들리게 됩니다.
악기 역시 공진을 적극적으로 활용합니다. 기타 줄이 진동하면 나무 몸체가 함께 공진하여 소리를 증폭시킵니다. 줄의 진동만으로는 우리가 듣는 풍부한 울림을 만들 수 없습니다.
라디오나 TV의 채널을 맞추는 원리도 비슷합니다. 안테나 회로를 특정 주파수에 맞추면 그 주파수의 전파만 효율적으로 받아들일 수 있습니다. 공진은 현대 통신 기술의 중요한 기반이기도 합니다.
빌딩을 흔든 보이지 않는 공진
이제 규모를 훨씬 크게 넓혀 보겠습니다.
2011년 동일본 대지진 당시, 진원지에서 약 350km 떨어진 도쿄 신주쿠의 고층 빌딩들이 오랫동안 천천히 크게 흔들리는 현상이 관측되었습니다. 진원지 부근의 격렬한 흔들림과는 전혀 다른, 느리고 긴 주기의 진동이었습니다.
그 원인 역시 공진이었습니다. 먼 거리를 이동해 온 지진파 가운데 장주기 지진동이라 불리는 느린 흔들림의 주기가 고층 빌딩의 고유진동수와 일치했던 것입니다.
일반적으로 건물이 높을수록 고유진동수는 낮아져 천천히 흔들리는 성질을 갖습니다. 초고층 빌딩의 경우 몇 초에서 수십 초에 이르는 매우 긴 주기의 고유진동수를 가지기 때문에 장주기 지진동과 공진하기 쉽습니다.
작은 소리굽쇠 실험과 높이 200m가 넘는 거대한 빌딩의 흔들림이 같은 원리로 설명된다는 점, 이것이 바로 물리학의 매력입니다.
“맞춘다”와 “어긋나게 한다” — 인간의 지혜
공진은 잘 활용하면 강력한 도구가 되지만, 제어하지 못하면 큰 재해를 일으킬 수도 있습니다.
그래서 현대의 고층 건물에는 공진으로 인한 흔들림을 줄이기 위한 다양한 장치가 설치됩니다. 대표적인 것이 제진 댐퍼입니다. 건물 내부에 큰 추를 설치해 건물이 흔들리는 방향과 반대로 움직이도록 함으로써 진동 에너지를 흡수합니다.
도쿄의 많은 초고층 빌딩에도 이러한 기술이 적용되어 있습니다. 원리를 따져 보면 소리굽쇠에 작은 추를 달아 고유진동수를 바꿨던 실험과 크게 다르지 않습니다.
인류는 자연의 힘에 맞서 공진을 적극적으로 이용하기도 하고, 필요할 때는 공진이 일어나지 않도록 고유진동수를 조정하기도 하며 문제를 해결해 왔습니다. 손바닥만 한 소리굽쇠 실험이 건축, 통신, 음악, 방재 기술과 깊게 연결되어 있다는 사실은 정말 흥미롭지 않나요?
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