소리와 파동에 대한 과학적 지식
물체가 외력을 받아 평형 위치에서 일정한 시간 간격으로 반복되는 운동을 진동이라고 하고 진동이 물질을 통해 주위를 퍼져 나가는 현상을 파동이라고 한다. 소리도 파동의 일종이다.
1. 파동
물체가 외력을 받아 평형 위치에서 일정한 시간 간격으로 반복되는 운동을 진동이라고 한다. 이러한 진동이 물질을 통해 주위로 퍼져 나가는 현상을 파동이라고 한다. 파동이 진행할 때 매질은 제자리르 중심으로 진동하고, 파동을 따라 이동하는 것은 에너지이다. 소리도 물체의 진동으로 발생하고 매질의 진동으로 인해 전달되는 파동의 한 종류이다. 악기를 연주할 때 악기가 진동하면서 소리가 나고, 이 진동이 이웃한 공기를 진동시켜 에너지가 주변 공기를 진동시키면서 우리 귀까지 전달되는 것이다. 소리가 전달될 때 소리를 전달해 주는 물질을 매질이라고 한다. 현악기에서 팽팽한 줄의 한 곳을 퉁길 때 줄이 흔들리면서 줄을 따라 진행해 나가는 파동이 생긴다. 이때 줄은 매질의 역할을 한다. 또한 잔잔한 연못에 돌을 던졌을 때 물 표면에 물결파가 생긴다. 이 경우는 물이 매질 역할을 한다. 이와 같이 어떤 매질을 통하여 파동이 전달될 때 역학적 파동이라고 한다. 그런데 파동 중에 매질이 없이 전파되는 파동도 있다. 전파와 빛은 공기가 없는 진공 중에 매질 없이 자기장과 전기장이 서로를 유도하며 진행하는 파동으로, 이를 전자기파라고 한다.
2. 파동의 표현
어느 순간의 위치에 따른 파동의 모양에서 파동의 가장 높은 곳을 마루라고 하고, 가장 낮은 곳을 골이라고 한다. 진동의 중심에서 마루 또는 골까지의 거리를 진폭이라고 한다. 골과 골 사이 또는 마루와 마루 사이의 거리를 파장이라고 하며, 파장은 파동이 한 번 진동하는 동안 전파되는 거리이다. 파동의 어느 한 점이 1초 동안 진동하는 횟수를 진동수라고 하고, 매질이 한 번 진동하는 데 걸리는 시간을 주기라고 한다.
3. 소리가 발생하는 원리
소리는 기체의 흐름이나 물체의 떨림으로 발생하는 파동이다. 소리가 나는 물체들을 살펴보면, 트라이앵글은 트라이앵글이 떨리면서 소리가 나며, 스피커는 진동판이 떨리면서 소리가 난다. 소리는 여러 가지 방법으로 물체를 떨리게 해서 낸다. 물병을 막대기로 두드려 소리를 내거나 유리병을 불어 소리를 낼 수도 있고, 기타와 같이 줄을 퉁겨 소리를 내거나 유리컵에 물을 넣고 손가락으로 문질러 소리를 낼 수도 있다. 이처럼 두드리기, 불기, 퉁기기, 문지르기 등의 여러 가지 방법으로 물체를 떨리게 하여 소리를 낼 수 있다.
4. 물체에서 나는 소리는 물체가 떨려서 나는 것이 아니라 물질 자체의 특수한 부분에서 소리가 나는 것이다?
물체마다 소리를 내는 방법이 다르므로, 사람들은 소리가 나는 까닭을 떨림 때문이 아니라 물질에서 소리를 내는 부분이 다르기 때문이라고 생각할 수 있다. 이럴 때는 소리가 나는 다양한 물체를 관찰하게 한 후 소리가 나는 물체들이 어떠한 공통점을 가지고 있는지 찾아보면 된다. 물체에서 나는 소리도 결국 물체의 어떤 부분이 떨려서 나는 것임을 알게 된다.
5. 소리의 세기
소리의 세기는 매질인 공기 분자가 얼마나 크게 진동했는지를 나타내며, 음파의 진폭에 따라 달라진다. 크게 진동하는 물체는 주변의 공기를 크게 떨리게 진동시켜서 진폭이 큰 음파를 만들게 된다. 예를 들어 평소에 말을 할 때 에너지를 많이 사용해서 이야기하면 소리의 진폭이 커지므로 목소리도 커진다. 반대로 에너지를 작게 사용하여 이야기하면 소리의 진폭이 작아지므로 목소리도 작아진다.
6. 소리의 높낮이
소리의 높낮이는 매질인 공기 분자가 얼마나 자주 흔들렸는지를 나타내며, 음파의 진동수에 따라 달라진다. 진동수가 큰 경우에는 높은 소리가 나고, 진동수가 작은 경우에는 낮은 소리가 난다. 파동의 속력이 같을 때, 진동수가 작으면 파장은 길고, 진동수가 크면 파장은 짧아진다. 따라서 같은 조건에서 높은 소리는 파장이 짧고, 낮은 소리는 파장이 길다. 일반적으로 여자보다 남자가 더 낮은 소리를 내는 것은 남자의 목소리가 여자보다 진동수가 작기 때문이다.
7. 소리가 높아질수록 큰 소리이다?
소리의 세기와 소리의 높낮이의 개념을 구분하지 못하고 혼동하는 경우가 많다. 이럴 때는 실로폰으로 높은 소리가 나는 짧은 음판을 살짝 치는 경우와 세게 치는 경우를 비교해 본다. 그리고 낮은 소리가 나는 긴 음판을 살짝 치는 경우와 낮은 소리가 나는 긴 음판을 강하게 치는 경우를 비교하게 한다. 이렇게 비교를 통해 소리의 높낮이와 세기가 다른 개념임을 알 수 있다.