파동/파동의 유형

파동의 종류

파동은 간단하게 시공간을 기준으로 잡고 주기성을 가지는 물리량이라고 볼 수 있지만, 이 파동을 구현하는데는 여러가지 방법이 존재할 수 있다. 이것을 간단하게 다음과 같은 2 종류로 나눠서 부를 수 있다.

• 횡파
• 종파

횡파(橫波, Transverse wave)란, 진행방향에 수직되게 에너지가 떨리면서 나아가는 파동이다. 직관적으로 볼 수 있는 예시로는 물결이 있다. 물결은 물의 수면을 따라서 퍼져나가지만(나아가지만), 에너지가 전달되는 과정에서 수면의 수위를 진동(oscillation)시킨다. 또 다른 예시로는 줄을 한 번 생각해볼 수 있다. 줄을 좌우로 흔들거나 위아래로 흔들면, 그 흔들림으로 생긴 패킷은 줄의 끝을 향해 나아가지만, 패킷은 좌우 혹은 위아래로 흔들리며 나아간다.

횡파의 이러한 특성은 파동의 근원에 영향을 받는데, 이와 같은 특성으로 인해서 편광이라는 성질을 갖는다. 편광은 줄의 예시처럼 파동이 나아가는데, 그것이 떨리는 방향이 한 방향으로 결정되어 있는 것을 의미한다. 빛의 경우 편광에 대한 연구가 많이 이루어져 있어서, 편광을 임의적으로 골라낼 수도 있다.

반면에 종파(縱波, Longitudinal wave)는 진행방향과 평행하게 에너지가 떨리면서 나아가는 파동이다. 대표적인 예시가 소리다. 소리는 매질이 밀(密, 빽빽함)하고 소(疏, 성김)함을 통해서 에너지가 전달되는 방식이다. 쉽게 말해 앞으로 당겨주고 밀어주면서 에너지가 전달된다. 이 경우에도 그림으로 표현할 때는 여전히 사인파를 사용하는데, 소밀한 정도를 그림으로 그리기에는 여간 불편한 것이 아니기 때문이다. 그래서 보통 사인파에서 언덕일 때를 밀, 골짜기일 때를 소로 표현한다. 또 파동 자체가 평행하게 떨리면서 진행하기 때문에 편광이 존재하지 않는다.

이렇게 물리적인 성질을 통해 구분할 수도 있지만, 좀 더 실질적으로 근원이나 현상을 통해서 파동을 구분할 수도 있다.

빛

빛은 전기장과 자기장이 서로가 서로를 유도함으로 인해 생기는 파동이다. 전기장과 자기장은 한 위치에서 특정한 방향을 가지면서 크기를 가질 수 있고, 서로가 서로를 유도할 때 각각에 수직되게 유도가 되기 때문에 빛은 횡파이다. 또, 빛의 속도는 이론적으로 달라질 수 없다. 원래 의미로는 빛은 "보이는" 파동을 이야기 하지만, 빛의 본질은 전기장과 자기장이 서로 유도하는 것에 있고, 빛의 속도는 달라지지 않아도 파장과 주파수는 바뀔 수 있기 때문에 전기장과 자기장으로 유도되는 모든 파동을 편하게 빛이라고 칭하는 경우도 있다. 이런 빛은 원래 전자기파라고 칭한다. 전자기파에서 우리가 볼 수 있는 영역을 가시광선이라 하고, 우리가 볼 수 있는 영역보다 더 작은 파장을 가지는 영역을 자외선(紫外線)이라고 한다.

빛은 편광시키기 쉬운 파동이라는 특징도 있다. LCD나 반사방지필름 등의 디스플레이 분야에서 이 특징을 이용하기도 한다.

소리

소리는 앞뒤로 흔들리는 진동에 의해 만들어지는 파동이다. 소리는 매질의 소밀을 통해서 우리 고막에 전달될 수 있는 파동이다. 고막은 단순하게 귀 안에 있는 얇은 막으로, 소리가 전달됨으로 인해서 소리의 소밀에 따라 고막이 흔들린다. 이 흔들림은 이소골이라고 하는 작은 뼈로 전달되고, 이 진동을 다시 달팽이관으로 전달한다. 달팽이 관 내에서는 이 진동을 신경을 통해 전기신호로 바꾸고 뇌에 정보로 전달하게 된다. 그리고 이 과정은 스피커나 마이크 등과 원리적으로 다르지 않다.

소리는 밀도가 높은 매질에서 더 잘 전달이 되기 때문에 공기에 밀도에 따라 굴절률 차이가 생겨, 밤과 낮에 소리가 전달되는 방향에도 차이가 생기게 된다. 또, 예술의 전당이나 교회 등의 설계구조를 잘 살펴보면 소리가 잘 퍼지는 구조와 동시에, 소리가 겹쳐 들리지 않도록 튀어나온 구조물이 있는 것을 확인할 수 있다.

지진파

지진파는 지진이나, 폭파 등으로 인해 고체나 액체를 통해서 흐르는 파동들이다. 지진파의 경우 여러 종류로 또 구분이 된다. P파, S파, T파로 구분되는 실체파(實體波)와 러브파(L파)와 레일리파(R파)로 구분되는 표면파(表面波)로 구분할 수 있다.

P파는 Primary wave(1차파)의 약자로, 제일 먼저 다가온다는 의미에서 작명되었고, S파는 Secondary(2차), T파는 Tertiary(3차)로 다가온다는 의미에서 작명되었다. P파의 경우 종파이지만, S파는 횡파라서, P파는 고체와 액체를 매질로 가질 수 있지만, S파는 고체만을 매질로 갖는다.

파도

이 파도는 그림 1.3에서 보듯이 바다 표면의 굴곡으로 나타난다. 파도의 속도는 공식에 의해 주어진다.

$v=\left({\frac {g\tanh(kH)}{k}}\right)^{1/2},$ (2.6)