파동이란 무엇일까요
바닷가에서 먼 곳의 갈매기는 물결이 지날 때마다 오르내리지만 물결을 따라 떠내려가지는 않습니다.
이동하는 흔들림
잔잔한 연못에 돌을 하나 떨어뜨리면 동그란 물결이 수면을 따라 바깥으로 퍼져 나갑니다. 기타 줄을 튕기면 줄이 흐릿하게 보일 만큼 떨립니다. 넓은 들판 건너편으로 소리치면 잠시 뒤에 건너편 사람이 그 소리를 듣습니다. 이 세 가지는 모두 파동입니다. OpenStax 대학 물리 교재는 파동을 짧게 정의합니다. 파동은 퍼져 나가는 흔들림, 다시 말해 처음 생겨난 곳에서 멀어져 가는 흔들림입니다. 연못에서는 물 표면의 모양이 흔들림입니다. 공기에서는 압력의 변화가 흔들림이고, 기타 줄에서는 줄이 옆으로 휘는 모양이 흔들림입니다.
이 정의에서 가장 중요한 낱말은 흔들림입니다. 흔들림의 무늬는 앞으로 나아가지만, 그 무늬를 이루는 물질은 대부분 제자리에 머뭅니다. 탁 트인 바다 위에 떠 있는 갈매기는 마루가 다가오면 위로 올라가고 골이 지나가면 아래로 내려갑니다. 그리고 물결이 모두 지나간 뒤에도 갈매기는 여전히 처음 있던 자리 근처에 그대로 있습니다. OpenStax 교재에 따르면 해안에서 멀리 떨어진 바다의 물결에서 물 입자는 작은 원을 그리며 한곳에 머물고, 에너지만 앞으로 계속 나아갑니다. 깊은 물에서 파도가 여러분을 미는 느낌이 든다면, 그때 느끼는 것은 옆을 지나 흘러가는 물줄기가 아니라 파동이 실어 온 에너지입니다.
마루, 골, 파장, 진폭
규칙적으로 똑같이 되풀이되는 단순한 파동에는 마루(crest)라고 부르는 높은 곳과 골(trough)이라고 부르는 낮은 곳이 있습니다. 파동이 나아가는 방향을 따라 잰, 한 마루에서 바로 다음 마루까지의 거리를 파장(wavelength)이라고 하며, 그리스 문자 λ(람다)로 나타냅니다. 진폭(amplitude)은 매질이 쉬고 있을 때의 자리에서 얼마나 멀리 벗어나 움직이는지를 나타냅니다. 그래서 진폭은 평평한 기준선에서 마루까지의 높이이고, 다르게 말하면 마루에서 골까지 거리의 절반입니다. OpenStax 교재는 진폭이 파동이 나아가는 빠르기와 전혀 관계가 없다고 짚습니다. 같은 밧줄 위에서는 큰 파동과 작은 파동이 똑같은 빠르기로 나아갑니다.
흔들리는 방향은 두 가지입니다
파동은 기본적으로 두 가지로 나뉩니다. 매질이 흔들리는 방향을 파동이 나아가는 방향과 비교해서 나눕니다. 횡파(transverse wave)에서는 매질이 파동의 진행 방향과 직각으로 움직입니다. 기둥에 묶어 둔 밧줄의 다른 쪽 끝을 휙 흔들어 보세요. 불룩한 모양 하나가 줄을 따라 달려가는데, 그동안 줄의 각 부분은 위아래로만 움직입니다. 악기 줄에 생기는 파동이 횡파이고, 빛을 비롯한 다른 전자기파도 횡파입니다. 이와 달리 종파(longitudinal wave)에서는 매질이 파동의 진행 방향을 따라서 앞뒤로 움직입니다. 긴 용수철의 한쪽 끝을 앞뒤로 밀었다 당겼다 해 보세요. 고리가 빽빽하게 모여 압축된 곳(compression)이 용수철을 따라 달려가는 것이 보입니다.
공기 속의 소리와 물 속의 소리는 종파입니다. 액체나 기체 같은 유체는 옆으로 휘게 하는 힘에 거의 버티지 못합니다. 그래서 유체가 전할 수 있는 흔들림은 누르고 늘이는 것뿐입니다. 반면 고체는 이 두 가지 파동을 모두 전할 수 있습니다. 바다 위의 물결은 이 두 가지가 섞인 파동이고, 그래서 물 입자가 원을 그리며 움직입니다. 지진은 이 두 가지 파동을 모두 땅속으로 내보냅니다. OpenStax 교재에 따르면 압축파인 P파는 초속 4~7 km로 나아가고, 층밀리기파인 S파는 초속 2~5 km로 나아갑니다. 지진계에는 P파가 먼저 기록됩니다. 그리고 그 뒤 S파가 도착하기까지 걸린 시간의 간격을 보면, 지진이 얼마나 먼 곳에서 일어났는지 알 수 있습니다.
끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.
매질이 필요 없는 파동
물결과 소리, 지진파는 모두 역학적 파동(mechanical wave)입니다. 이런 파동은 지나갈 물질이 있어야 전해집니다. 텅 빈 우주 공간에는 누르고 늘일 물질이 아무것도 없으므로, 소리는 그 공간을 건너가지 못합니다. 빛과 전파, 그리고 다른 전자기파는 이와 다릅니다. 전자기파는 변하는 전기장과 자기장으로 이루어져 있어서 진공 속에서도 나아갑니다. 햇빛이 1억 5천만 km나 되는 우주 공간을 건너 우리에게 올 수 있는 것도 이 때문입니다. OpenStax 교재는 여기서 사람들이 자주 헷갈리는 점을 하나 짚어 둡니다. 라디오는 여러분에게 소리를 전해 주지만, 라디오 전파 자체는 소리가 아니라 전자기파입니다.
| 파동 | 생긴 곳에서 퍼져 나가며 에너지를 옮기는 흔들림 |
| 마루와 골 | 파동의 가장 높은 곳과 가장 낮은 곳 |
| 파장 λ | 이웃한 두 마루 사이의 거리 |
| 진폭 | 쉬는 자리에서 가장 멀리 움직인 거리 |
| 횡파 | 진동 방향이 진행 방향과 직각입니다. 밧줄에서는 매질이, 빛에서는 전기장과 자기장이 진동합니다. |
| 종파 | 매질이 진행 방향을 따라 움직임(공기 속 소리) |
| 역학적 파동 | 물질 매질이 필요함. 소리는 진공을 건너지 못함 |
- 파동이 한 곳에서 다른 곳으로 옮기는 것은 무엇일까요?
- 에너지
- 물이나 공기 자체
- 질량
- 아무것도 옮기지 않음
- 먼 바다에 뜬 갈매기 밑으로 물결이 지나갑니다. 갈매기는 어떻게 움직일까요?
- 주로 위아래로 움직이고 한자리 근처에 머묾
- 물결을 따라 해안 쪽으로 감
- 옆으로만 움직임
- 움직이지 않음
- 기타 줄의 파동은 어떤 파동일까요?
- 횡파
- 종파
- 둘 다 아님
- 소리일 뿐임
- 공기 속을 지나는 소리는 어떤 파동일까요?
- 종파
- 횡파
- 전자기파
- 공기가 필요 없는 혼합파
- 다음 중 우주의 진공을 건너갈 수 있는 것은 무엇일까요?
- 전파
- 소리
- 물결
- 지진의 S파
- 밧줄 위 파동의 마루 꼭대기에서 골 바닥까지가 60 cm입니다. 진폭은 몇 cm일까요?
- 같은 밧줄의 팽팽함을 그대로 두고 더 큰 파동을 만듭니다. 속력은 어떻게 될까요?
- 그대로임
- 2배가 됨
- 절반이 됨
- 0이 됨
- 지진이 나면 먼 곳의 지진계에 먼저 도착하는 파동은 무엇일까요?
- P파(압축파)
- S파(층밀리기파)
- 언제나 함께 도착함
- 둘 다 도착하지 않음
- 지어낸 예입니다. P파가 초속 6 km, S파가 초속 3.5 km로 나아가고 S파가 P파보다 20초 늦게 도착했습니다. 지진은 몇 km 떨어진 곳에서 일어났을까요?
- 파동은 이동하는 흔들림이며 매질이 아니라 에너지를 옮깁니다.
- 파장 λ는 마루에서 마루까지, 진폭은 쉬는 자리에서 마루까지입니다.
- 횡파는 직각으로 흔들리고(밧줄, 빛), 종파는 진행 방향을 따라 흔들립니다(공기 속 소리).
- 역학적 파동에는 매질이 필요하고 전자기파에는 필요 없습니다.
이 과정의 출처 (11)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
- 16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
- 17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
- 17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
- 17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
- 24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
- 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
- 27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
- NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
- NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
- ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).
확인한 날: 2026-10-17