공명 막대

길고 가는 원통의 양쪽에 대칭으로 막대가 3개씩 연결되어 있고, 막대들의 끝에는 같은 모양의 물체가 붙어 있는 기구가 있습니다. 이 기구는 '공명 막대'라고도 불립니다.

이 기구의 막대는 탄성을 가지고 있습니다. 탄성이란 힘을 주었을 댸 모양이 변했다가 힘이 사라지면 원래의 모습으로 돌아오는 성질을 말합니다.

3가지 키의 막대를 하나씩 차례대로 밀거나 당겼디 놓으면 어떻게 되는지 동영상으로 관찰하세요.

어떤 점을 관찰하였나요? 한 막대에 힘을 주어 밀거나 당겼다 놓으면 그 막대는 진동합니다. 진동이란 어떤 물체가 같은 길을 일정한 시간 간격으로(주기적으로) 왕복 운동하는 것을 말합니다. 그런데 원래 진동시킨 막대와 같은 길이의 반대 퍈 막대도 크게 진동합니다. 반면, 나머지 두 막대는 크게 영향을 받지 않습니다. 왜 그럴까요?

서로 다른 길이의 막대에 힘을 주어 진동시키면 진동하는 속도가 다르다는 것을 볼 수 있습니다. 길이가 짧을수록 더 빠르게 진동합니다. 1초 당 몇 번 진동하는 가를 진동수라고 합니다. 막대의 길이가 짧을수록 진동수가 더 큰 것입니다. 이렇게 물체는 각기 고유한 진동수를 갖습니다. 그것을 고유 진동수라고 부릅니다.

특정 고유 진동수를 갖는 물체에 외부에서 그것의 진동수와 같은 영향이 주어지면 물체가 진동하는 폭이 눈에 띄게 커집니다. 이렇게 고유 진동수와 같은 진동수를 가진 영향을 외부로부터 받을 때 진동하는 폭이 증가하는 현상을 공명이라고 합니다.이 현상은 3개의 길이가 서로 다른 막대를 사용하여 외부의 진동에 따라 각 길이의 막대가 어떻게 반응하는지 보여주는 다음 동영상에서 쉽게 볼 수 있습니다.

[Building Resonance. Why do some buildings fall in earthquakes?]

여기서 사용한 기규의 막대들은 둘 씩 같은 고유 진동수를 갖습니다. 이 중 한 막대를 진동시키면, 그 진동이 막대들이 붙어있는 원통을 통해 다른 막대들로 전달됩니다. 이때 같은 고유 진동수를 같는, 같은 길이의 막대가 공명하여 크게 진동하는 것입니다.

그네가 오락가락하는 빠르기와 같은 빠르기로 그네를 밀면 그네는 점점 더 멀리까지 오락가락하게 됩니다. 이것도 공명 현상의 하나라고 할 수 있습니다.

우리 주변에서 볼 수 있는 물체 중에 공명 실험을 할 수 있는 것으로는 두피를 마사지하는 기구가 있습니다. 이 기구에는 긴 살 6개와 짧은 살 6개가 있습니다. 긴 살들의 길이는 서로 거의 같습니다. 짧은 살돌도 마찬가지입니다.

각 살을 튕겼을 때 어떤 일이 일어나는지 관찰해봅시다.

튕긴 살과 같은 길이의 살들이 더 크게 진동하는 것을 관찰하였지요? 짦은 살이 긴 살에 비해 더 빠르게 진동한다는 것도 확인하기 바랍니다.

이러한 공명 현상은 추를 실에 매단 단진자에서도 일어납니다. 실험으로 알아보고 싶다면 다음 링크를 참조하세요.

 [단진자로 알아보는 공명 현상]