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파동(WAVE, 波動)

  • 작성일
  • 2013-08-28
  • l
  • 19:32

<요약>
공간이나 물질의 한 부분에서 생긴 주기적인 진동이 시간의 흐름에 따라 주위로 멀리 퍼져나가는 현상을 의미한다.

호수 면에 돌을 던져 보자. 돌이 던져진 자리를 중심으로 원형 고리 모양의 물결이 가장자리로 퍼져 나가는 것을 볼 수가 있다. 이렇듯 물결의 한 지점에서 생긴 진동이 사방으로 퍼져 나갈 때 이를 물결 파라고 얘기하며 비슷하게 어떠한 진동이 주위로 전파되어 나갈 때 이를 파동이라 부른다. 퍼져 나가는 물결 위에 나뭇잎을 띄워 보면 나뭇잎이 멀리 나아가지 않고 한 곳에서 오르락내리락 하는 모습을 관찰할 수 있다. 따라서 나뭇잎 아래의 있는 물이 오르락내리락할 뿐 이동하지는 않는다는 사실을 알 수 있다. 파동은 에너지를 전파할 뿐 물과 같은 매개 물질을 직접 이동시키지는 않는다.

파동은 지구 중력에 의해 낙하하는 사과와 같이 분석이 쉬운 대상은 아니다. 공간적으로도 파 자체가 넓게 퍼져 있는 데다가 시간이 흐름에 따라 파가 움직여서 주위로 전달되어 나가기 때문이다. 그래서 시간의 흐름을 멈추고 나서 파의 공간적 모양을 관찰한 다음 특징을 분석하거나 공간의 한 점을 택해서 물결이 오르락내리락하는 것과 같은 시간의 흐름에 따른 그 지점의 행동 양식을 지켜보는 일이 필요하다.

파동의 공간적·시간적 특징

한 사람을 묘사하기 위해서 이름, 키, 나이 등등이 필요하듯 파동을 묘사하기 위해서도 이러한 역할을 하는 비슷한 용어들이 정의되어 있다. 시간의 흐름을 멈춘 상태에서 관찰한 파동을 기술하기 위해서는 진폭, 파장, 마루, 골 등의 용어를 알아야 할 필요가 있다. 또한 공간의 한 점에서 시간이 흘러감에 따라 파동이 보이는 행동 방식을 이해하기 위해서는 주기, 진동수 등의 용어를 알아야 할 필요가 있다. 이는 모두 공간상으로나 시간상으로 하나의 모양을 반복적으로 보이는 주기적인 파동을 위해서 정의된 용어들이다.
일반적으로 공간상으로나 시간상으로 어떠한 형태를 보인 파동이든지 주기적인 파동의 합으로 이해가 가능하기 때문에 주기적인 양상을 보이는 파동을 정확히 이해할 수 있게 된다면 일반적인 형태의 파동 또한 이해할 수 있게 된다.

파동의 성질

파동은 장애물이 없을 때 직진하고 가는 틈을 만났을 때는 회절하며 성질이 다른 매질을 만났을 때 굴절한다. 또 장애물을 만났을 때는 반사도 하며 두 파동이 서로 만났을 때 간섭 현상을 일으킨다.

관련 역사

물리학에서는 관찰 대상을 입자 혹은 파동으로 묘사해서 설명하려는 시도가 오래도록 계속되었다. 빛이 그 대표적인 예이다. 빛과 관련된 다양한 현상들은 때로는 입자설 (뉴턴)을 기반으로 또 다른 시대에는 파동설(하위헌스)을 기반으로 해서 설명되어 왔다. 1900년대 초 아인슈타인이 빛이 입자라는 가정하에 광 전류 현상을 분석하였고 최근에는 양자 역학 이론에 의해 빛이 파동과 입자의 성질을 모두 가지고 있다고 설명한다.

종류

파동은 크게 종파(縱波)와 횡파(橫波)로 나눌 수 있다. 횡파는 매질의 상태변화 방향이 파동이 진행하는 방향에 수직인 것을 말한다. 예를 들면, 빛이나 전파 등은 순수한 횡파이다. 이에 대해 종파는 매질의 상태변화의 방향이 파동의 진행방향에 대해 평행인 것으로 조밀파(粗密波)라고도 한다. 그 예로 음파 등을 들 수 있다. 일반적으로 물체에 전파되는 탄성파 중 횡파는 형상탄성에 의하여 일어나며, 종파는 부피탄성에 의하여 나타난다.

따라서 고체 내에서 일어나는 파동은 탄성파로 종파 ·횡파가 함께 일어날 수 있는데, 형상탄성이 없는 유체(流體)의 경우에는 횡파가 생기지 않는다. 어느 경우라도 파동이 전달되는 속도는 매질의 탄성률과 밀도에 의해 결정되며, 각 매질에 따라 일정한 값이 된다. 또 파동이 전파되는 매질 속에서 같은 시각에 같은 상태변화를 가진 점을 연결하면, 일반적으로 연속된 면이 나타나는데, 이것을 파면(波面)이라고 한다. 파면이 구 모양으로 일어나는 파동을 구면파(球面波), 평면이 되는 파동을 평면파라고 한다.