파동 뜻 개념 종류 쉽게 알아보기! 어떻게 응용될까?

■ 파동의 개요

파동은 특정 물리량이 주기적으로 변할 때 발생하는 현상입니다. 그 변화가 공간을 따라 전파되어 나가는 것이 곧 파동인데요. 이때 물리량이 기체의 압력일 경우 우리는 ‘소리’라고 부릅니다. 그리고 전자기장의 변화일 때는 ‘전자기파’라고 합니다.

■ 파동의 특성

파동은 참 다양한 특성을 갖고 있습니다. 파동은 반사와 굴절이 될 수 있고 두 개 이상의 파동이 만나 간섭을 보일 수도 있습니다. 또는 아에 전파되지 않고 회절될 수도 있는데요. 이와 더불어 파동원과 관측자 사이의 상대속도에 따라 관측되는 파동의 주파수가 변할 수도 있습니다. 파동의 특성을 표현할 때는 파장과 진동수, 진폭, 전파속도로 나타냅니다. 이를 정리해보면 아래와 같습니다.

◐ 파장

파동에 있어 파장이란 파동이 전파될 때 ‘마루와 마루 사이 거리’ 또는 ‘골과 골 사이 거리’를 말합니다. 즉 파장은 공간에 퍼져 있는 파동의 한 번 동안 주기 거리라 할 수 있습니다. 그렇다면 그 단위는 무엇일까요? 길이 단위 그대로를 사용하여 미터(m) 입니다. 파장은 파동의 위상에도 영향을 주는데요. 파장의 길이에 따라 파동의 위상이 변화하게 됩니다. 1/4 파장 지점은 90도, 1/2 파장 지점은 180도, 3/4 파장 지점은 270도, 1파장 지점은 360도의 위상을 가집니다.

◐ 진동수

진동수란 파동이 일정 시간 진동하는 횟수를 말합니다. 진도수의 단위는 헤르츠(Hz)이며, 1Hz는 1초 동안 1회 진동하는 것을 의미합니다. 진동수와 주기는 서로 반비례 관계에 있습니다. 따라서 주기를 T라 하고, 진동수를 f라 한다면 ‘f = 1/T’의 관계가 성립합니다.

◐ 진폭

진폭(Amplitude) 이란 파동의 최대 변위크기를 말합니다. 진동의 중심으로부터 극점까지 움직인 거리가 진폭이 되는데요. 진폭의 단위는 파동이나 진동변위 단위 그대로를 사용합니다. 예를 들어 소리파의 진폭 압력단위인 파스칼(Pa)의 진폭단위 또한 파스칼(Pa)이 됩니다. 또한 전기장의 단위인 볼트/미터(V/m)에 있어 진폭 또한 동일하게 사용합니다. 간혹 부가적인 단위로 표현하는 경우도 있는데요. 그 예로 실효치 (Root Mean Square, RMS)가 있습니다. 실효치는 파동이나 진동의 평균에너지를 표현하며 진폭의 제곱평균제곱근 입니다.

◐ 진폭과 진동의 관계

여기서 잠깐! 진폭과 진동의 관계에 대해 알아보고 넘어가겠습니다. 진폭이 크면 진동의 세기는 어떻게 될까요? 당연 강해집니다. 진폭이 작아지면 진동의 세기 또한 약해지는 비례관계에 있습니다. 이는 진폭과 진동현상을 이해하는데 중요한 개념이 된다는 점! 알아두시면 좋겠습니다.

◐ 전파속도

‘전파속도’란 파동이 공간을 따라 전파되는 속도를 말합니다. 만약 대기가 진공상태라면 전파속도는 빛의 속도와 같은 약 300,000 km/s가 됩니다. 즉 전파속도는 진공속에서 빛의 속도와 같은데요. 그러나 주변에는 금속이나 땅, 물, 공기 등과 같은 장애물이 존재할 수 밖에 없으며 이를 ‘매질’이라 부릅니다. 그리고 매질은 전파속도를 느리게 만드는데요. 그런데 재밌는 점은 이런 매질이 필요한 전파가 있습니다. 대표적으로 ‘소리파’가 그렇습니다.

■ 파동의 전파

파동의 전파를 표현한다면 ‘에너지가 전달되는 현상’이라 할 수 있습니다. 더 구체적으로는 평형상태에서 특정 교란이 일어나면 그 교란이 공간을 따라 전파되어 나가는 현상이라 할 수 있는데요. 분명한 것은 파동이 전파될 때 실제 이동하는 것은 매질이 아니라 에너지라는 점입니다. 이때 매질은 진동만 할 뿐 이동하지 않는데요. 이때 매질의 역할도 필요로 합니다. 매질의 입자들은 유기적으로 연결되어 있어 연결된 고리로 에너지가 전달됩니다.

■ 파동의 반사

위 내용대로 파동이 곧게 전파가 될 수 있다면, 반대로 반사도 될 수 있습니다. 파동은 진동방향과 진행방향의 관계에 따라 횡파와 종파로 구분되는데요. 횡파는 진동방향과 수직인 파동이며, 종파는 진동방향과 평행한 파동을 의미합니다.

■ 파동의 종류

파동에도 종류가 있습니다. 대표적으로 소리파와 전자기파, 물질파 등이 있습니다. 파동을 나눌 때는 크게 매질의 필요여부에 따라 구분할 수 있습니다. 매질이 필요한 파동인 ‘역학적 파동(Mechanical Waves)’이 있습니다. 위에서 알아봤던 소리파(음파)가 이에 속하며 그 외에 지진파와 수면파 등이 있습니다. 반면 매질이 없어도 전파될 수 있는 파동으로 전자기파(Electromagnetic Waves)가 있습니다. 이에 속한 파동의 종류로 빛, 라디오파, X선, 감마선 등이 있습니다.

■ 파동의 응용

파동은 우리의 생활안에 어떻게 응용될까요? 그 대표적인 예가 바로 음악 입니다. 이에 응용되는 파동은 소리파가 될 텐데요. 그리고 실생활에 빠질 수 없는 통신기기는 전자기파를 응용합니다. 그리고 물결파는 해양관측이나 선박운항 등에 활용되는데요. 여기에 ‘도플러효과’라는 것이 있습니다. 도플러효과란 파동의 성질 중 하나로 파동원과 관측자 사이의 상대속도에 따라 관측되는 주파수가 변하는 현상을 의미합니다. 이는 레이더나 초음파 혈류측정기, 천문학 등에서 활용되고 있습니다. 이처럼 파동은 알게 모르게 생활 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 있습니다. 지금까지 파동에 대한 내용을 살펴보았습니다. 개인적으로 파동은 알면 알수록 중요한 물리현상이란 생각을 하게 됩니다. 이만 마치겠습니다.