파동(1)

호수나 연못에 돌을 던지면 원형의 물결이 일면서 퍼져나가는 것을 볼 수 있다. 그리고 약간 굵은 줄의 한끝을 벽에 고정하고 다른 끝을 손으로 잡고 위아래로 흔들면 파가 줄을 따라 진행하는 것을 볼 수 있다. 이러한 파동들은 어떤 성질을 지니고 있을까?
우리 주변의 물체들은 크고 작게 흔들리고 있다. 나뭇가지가 바람에 흔들리는 것을 비롯한 원자처럼 너무 작아서 볼 수 없는 것조차도 계속해서 진동하며 움직이고 있다. 시계의 추처럼 물체가 한 점을 중심으로 흔들리는 것을 진동이라고 한다. 진동은 한순간에 존재할 수 없고 좌우 또는 앞뒤로 움직이는 시간이 필요하다. 종을 쳐보면 종의 진동과 소리는 얼마 동안 계속되다 없어진다. 바닷가에서 밀려오는 파도를 보고 파도가 모래사장 쪽으로 바닷물을 옮겨온다고 느꼈을 것이다. 그러나 사실은 그렇지 않다.
수조에 물을 넣고 수면의 지점에 나뭇잎을 띄운 다음, 스포이트로 물을 한 방울 떨어뜨리면 물 표면에서 진동하면서 물결파가 발생하여 사방으로 퍼져나가는 것을 볼 수 있다. 그런데 나뭇잎은 물결을 따라 이동하지 않고 제자리에서 상하로 움직이기만 하는 것을 확인할 수 있을 것이다. 이 현상을 통해 물결파가 움직이는 원리를 알 수 있다. 2002년 한일월드컵 경기를 응원하면서 파도타기 응원하는 모습을 보았을 것이다. 사람들이 제자리에서 앉았다 일어났다만 반복할 뿐이지 실제로는 옆으로 자리를 옮기지는 않지만, 마치 거대한 파도가 옆으로 이동하는 것처럼 보였을 것이다. 수조의 물 위에 떠 있는 나뭇잎이 옆으로 밀려가지 않는 것도 이와 마찬가지로 생각하면 된다. 진동 상태가 매질을 따라 퍼져나가는 것을 파동이라고 하며, 파동이 처음 발생한 부분을 파원이라고 한다. 물결파가 전파되어 나갈 때 매질의 각 부분은 제자리에서 아래위로 진동하면서 에너지를 인접 부분으로 전달할 뿐이지, 매질이 파동과 함께 이동하지는 않는다.
파동은 매질의 진동 방향과 파동의 진행 방향이 수직인지 나란한지에 따라서 두 종류로 구분한다. 용수철을 위아래로 흔드는 경우와 옆으로 밀었다가 당기는 경우에 생기는 파동의 모습은 전혀 다르다. 파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 수직인 파동을 횡파라고 한다. 용수철을 위아래로 한번 흔들면 파동이 생겨서 퍼져나가는 파가 바로 횡파이다. 이것은 우리가 주위에서 가장 쉽게 만날 수 있는 파동의 모습이다. 물결파나 지진의 S파 정도가 횡파에 해당한다.
그리고 파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 나란한 파동을 종파라고 한다. 그림에서와 같이 용수철을 앞뒤로 흔들면 용수철의 간격이 약간 빽빽한 부분이 앞으로 밀려 나가는 것이 보이는데, 이것이 바로 종파이다. 종파는 용수철의 움직임 말고는 우리 주위에서 직접 보기 쉽지 않은 파동이다. 음파나 지진파의 P파가 종파의 대표적인 예이다. 횡파는 매질의 위치가 높아졌다 낮아졌다 하므로 고저파라고도 하며, 종파는 매질의 간격이 빽빽한 부분과 성긴 부분이 생기므로 소밀파라고도 한다. 스피커에서 발생하는 소리는 스피커에 붙어 있는 진동판이 계속 진동하여 공기를 밀고 당기기 때문에 말한 부분과 소한 부분이 반복하여 연속적으로 나타난다. 이 파동이 공기 중으로 진행하여 우리 귓속의 고막을 진동시키기 때문에 우리는 소리를 들을 수 있게 되는 것이다. 이처럼 파동은 한 장소에만 존재하지 않고 한 장소에서 다른 장소로 퍼져나간다. 빛과 소리의 본질은 에너지로서 파동의 형태로 공간을 통해서 이동한다. 평면파와 구면파는 우리 눈에 보이는 모습에 따라서 파동을 구분할 수 있다. 파동에서 매질의 위치와 상태가 같은 부분들끼리 연결해서 그린 선이나 면을 파면이라고 한다. 파면이 직선으로 나란하게 진행되는 파동을 평면 파라고 하고, 파면이 파원을 중심으로 동심원 모양으로 퍼져나가는 파동을 구면파라고 한다. 이렇게 파동은 그 모양에 따라 횡파와 종파, 평면파와 구면파 등으로 구분한다. 
횡파와 종파, 그리고 평면파와 구면파는 파동의 모양이 다르기 때문에 붙여진 이름일 뿐이고 모두가 하나같이 파동이다. 파동의 종류에는 관계없이 모든 파동이 공통으로 가진 특징을 이용해서 모든 종류의 파동에 적용될 수 있는 표현 방법이 있다면 매우 간편하고 편리할 것이다.
파동은 순간마다 모습을 바꾸면서 진행한다. 일반적으로 파동은 사인 곡선의 모양을 이루므로 사인파라고 한다. 파동에서 변위가 가장 높은 곳을 미루라고 하고, 변위가 가장 낮은 곳을 골이라고 한다. 그리고 이웃한 마루와 마루, 또는 골과 골 사이의 거리를 파장이라고 한다. 또, 매질의 최대 변위, 즉 마루의 높이나 골의 깊이를 진폭이라고 한다. 같은 시간에 진동 상태가 같은 점을 위상이 같다고 하는 데 따라서 위상이 같은 인접한 두 점 사이의 거리를 파장이라고 할 수 있다. 위상은 어떤 특정한 시간 또는 지점에서 그 파동이 가지는 각도를 라디안으로 나타낸 것이다.
진행 중인 파동의 매질의 한 점을 자세히 관찰하면, 평형 위치를 중심으로 상하로 진동 운동하는 것을 볼 수 있다. 매질의 각 점이 1회 진동하는 데 걸리는 시간을 주기라고 한다. 주기는 파동이 진행할 때 마루 한 개가 지나가고 다음 마루가 같은 위치에 오는 데 걸리는 시간을 말한다. 즉, 파동이 한 파장만큼 진행하는 데 걸리는 시간을 의미한다. 매질의 한 점이 1초 동안 진동하는 횟수를 진동수라고 한다. 진동수는 1초 동안 매질의 한 점을 지나가는 파동의 수와 같다. 주기가 클수록 파동이 천천히 진동하므로 진동수는 작고, 주기가 짧을수록 파동이 빨리 진동하므로 진동수가 크다는 것을 금방 알 수 있을 것이다. 진동수는 주기와 역수의 관계를 가지고 있다.