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해수욕장에서 소라껍질을 귓가에 대면 파도치는 소리가 들리던데 왜 그럴까요?

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.손가락으로 책상을 두드릴 때 나는 소리와 북을 두드릴 때 나는 소리는 서로 다르다. 음료수 깡통이 떨어져도 속이 비어있을 때와 가득 차있을 때도 서로 다른 소리가 난다.소리가 발생하는 이유는 물체가 진동하기 때문이다. 이 진동이 공기를 따라 전달하여 우리의 귀에 들리는 것이다. 물체마다 서로 다른 소리를 낼 수 있는 것은 물체의 진동이 크기, 모양, 재질에 따라 다르기 때문이다. 각 물체마다 갖고 있는 진동을 고유 진동수라고 하며, 한 물체는 여러 개의 고유 진동수를 가질 수 있다. 물체의 외부에서 주기적인 힘을 가하면 물체는 주어진 힘과 같은 주기를 갖고 진동한다. 이때 외부의 힘이 물체가 갖고 있는 고유 진동수와 같으면 물체의 진폭은 더욱 커지게 된다. 만약 외부의 힘을 가해서 물체가 진동하며 소리를 발생하는 상황이라면, 고유 진동수와 외부의 힘이 같으면 음이 증폭되어 더욱 큰 소리가 나게된다.같은 진동수를 갖는 두 개의 소리굽쇠를 책상 위에 올려놓고 그 하나를 울리면 소리굽쇠는 고유 진동수로 진동하기 시작하고, 이 진동은 공기를 통해 전파하면서 다른 소리굽쇠를 진동시켜 소리가 난다. 그러나 두 소리굽쇠의 진동수가 서로 다르면 상대편의 소리굽쇠는 거의 진동하지 않는다. 이와 같이 강제 진동의 진동수와 물체의 고유 진동수가 같아지면 진폭이 커지는 데, 이러한 현상을 공명이라고 부른다. 우리 주위에서도 공명현상을 쉽게 발견할수 있습니다.그네를 밀어줄 때 그네가 충분히 뒤로 와서 멈춘 순간 밀어주면 큰 힘들이지 않고도 그네가 높이 올라가는 것과, 널뛰기 할 때 호흡을 잘 맞추면 높이 뛸 수 있는 것도 공명을 이용한 것이다.세탁기의 경우 탈수할 때 세탁조가 돌면서 회전속도에 따라 세탁기에 규칙적인 충격을 가하게 된다. 빠르게 돌 때는 세탁기의 고유진동수와 달라 별다른 영향을 주지 못하다가 속도가 줄어들면서 어느 순간 고유진동수와 일치하게 되어 공명이 일어나 세탁기가 크게 흔들리는 것을 볼 수 있다.이론적으로는 목소리로 유리잔을 깰 수가 있다. 유리잔이 갖고 있는 고유 진동수와 같은 소리를 낼 수만 있으면 유리잔은 큰 진폭의 진동이 형성돼 유리잔을 깨뜨릴 수 있다.건물이나 다리가 주변의 바람과 공명을 일으킨다면 진동을 견디지 못하고 무너진다. 실제로 60여년 전 미국의 워싱톤주의 타코마협교는 세워진지 4개원 후에 가벼운 돌풍에 의해서 무너졌다. 그 이유 바람이 다리의 진동수와 공명하면서 진폭이 점점 커져 끝내 무너지게 된 것이다.음식을 데우거나 요리하는데 사용되는 전자 레인지도 공명 현상을 이용한 예이다. 전자 레인지는 파장이 약 1.2㎝인 마이크로파를 방출해 음식 속의 물분자를 진동시킨다. 음식물 속의 물분자가 공명 현상에 의해 맹렬히 진동하면 분자 운동으로 발생하는 열에너지가 음식물의 온도를 높이면서 데워지거나 조리된다. 그러나 수분이 부족한 음식은 전자레인지로 데우거나 조리할 수 없다.귀에 소라껍질을 대면 소리가 나는 이유는 소라껍질이 자신의 내부구조와 고유하게 어울리는 소리에 공명하기 때문이다. 그 소리는 소라껍질을 불었을 때 나는 소리로서 소라껍질은 주변의 여러 가지 소리들 중에서 자신에게 맞는 진동수의 소리에 항상 공명하고 있으며, 소라껍질을 귀에 가까이 했을 때 우리는 그 소리를 듣게 되는 것입니다.

학문 / 지구과학·천문우주

23.05.11

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